Molekulare Mechanismen während der Anheftung und Biofilmbildung in Shewanella oneidensis MR-1 - Die Tücken des Besiedelns -
Grenzflächenbesiedlung durch robuste Bakteriengemeinschaften – sogenannten Biofilmen – stellt die ubiquitär verbreitete Lebensform von Mikroorganismen dar, um einer Vielzahl von Stressfaktoren zu widerstehen. Das Entwicklungsprogramm solcher Biofilme lässt sich in mehrere distinkte Schritte un...
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Contributors: | |
Format: | Doctoral Thesis |
Language: | German |
Published: |
Philipps-Universität Marburg
2011
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Subjects: | |
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Summary: | Grenzflächenbesiedlung durch robuste Bakteriengemeinschaften – sogenannten Biofilmen
– stellt die ubiquitär verbreitete Lebensform von Mikroorganismen dar, um einer Vielzahl von
Stressfaktoren zu widerstehen. Das Entwicklungsprogramm solcher Biofilme lässt sich in mehrere
distinkte Schritte unterteilen, wobei zu Anfang eine zunächst transiente Anheftung Oberflächen-
assoziierter Zellen steht, auf die eine irreversible Interaktion mit dem Substratum folgt. Nach der
Bildung von Mikrokolonien entstehen im weiteren Verlauf drei-dimensionale Strukturen, die als
charakteristisches Merkmal für Biofilme gelten.
Das dissimilatorisch Metallionen-reduzierende Bakterium Shewanella oneidensis MR-1 bildet
Biofilme unter statischen wie hydrodynamischen Bedingungen aus. Die Ausprägungsformen des
Biofilms unterscheiden sich jedoch stark in Abgängigkeit von den vorherrschenden Bedingungen.
So bildet S. oneidensis MR-1 unter statischen Bedingungen eine eher lockere netzartige
Biofilmstruktur, durch die sich Zellen bewegen können. Hydrodynamische Bedingungen haben zur
Folge, dass sich turmartige Strukturen, welche vornehmlich durch klonales Wachstum entstehen,
ausbilden, die von einer dichtgepackten, widerstandsfähigen Matrix zusammengehalten werden.
Um zelluläre Prozesse während der Oberflächen-Anheftung in Abhängigkeit der
vorherrschenden Bedingung mit Hilfe von Transkriptom-Analysen zu identifizieren, wurde ein
System zur Isolierung von Oberflächen-assoziierten Zellen in einem hydrodynamischen Umfeld
etabliert. Die Transkriptom-Analysen adhärierter Zellen unter statischen und hydrodynamischen
Bedingungen zeigten, dass die initiale Anheftung dieses Organismus, als erster Schritt in die
Richtung eines sessilen Lebensstils im Biofilm, weitreichende Veränderungen des Transkriptoms
nach sich zieht. Dabei lässt sich zwischen einer allgemeinen, jedoch umweltabhängigen Anpassung,
die vor allem eine Reduzierung der Motilität und – unter statischen Bedingungen – eine rapide wie
effiziente Umstellung auf anaeroben Stoffwechsel beinhaltet, und einer Substrat-spezifischen
Adaption unterscheiden. So hat beispielsweise eine Anheftung an eine Eisen(hydr)oxid-Oberfläche
zur Folge, dass – wahrscheinlich aufgrund des Überangebots an Elektronenakzeptoren – besonders
Transportsysteme und Cytochrome reprimiert, dagegen stressabhängige Sigmafaktoren induziert
werden.
Im weiteren Verlauf der Anheftung und Biofilmentwicklung produzieren die S. oneidensis
MR-1 Zellen eine Biofilm-Matrix, die zu einem entscheidenden Teil aus extrazellulärer DNA
(eDNA) besteht. Als strukturgebendes Element spielt die eDNA in Biofilmen sowohl unter
statischen, als auch unter hydrodynamischen Bedingungen eine wichtige Rolle. Die Herkunft dieser
eDNA konnte auf zelllytische Prozesse – ausgelöst durch Phagen-induzierte Lyse einer
Subpopulation von Zellen – zurückgeführt werden. Die durch die lytische Aktivität der drei
Shewanella-eigenen Prophagen (MuSo1, MuSo2 und LambdaSo) freigesetzte DNA ist bereits in den
ersten Schritten der Anheftung essenziell. Eine Mutante, in der alle drei Prophagen deletiert
wurden, wies massive Defekte in allen Stadien der Biofilmbildung auf. Mutanten-Analysen und
Infektionsstudien zeigten des Weiteren, dass nur die Prophagen MuSo2 und LambdaSo in den
lytischen Lebenszyklus konvertieren und infektiöse Viruspartikel assemblieren können.
Um die dynamische Besiedelung einer Oberfläche zu gewährleisten, gehen einige Zellen
während aller Entwicklungsstufen der Biofilmbildung zu einem erneut planktonischen Lebensstil
über. Dieser kontrollierte Übergang scheint unter anderem auch die Fähigkeit zur Degradierung
von Komponenten der Biofilm-Matrix – insbesondere eDNA – vorauszusetzen. Zwei Kandidaten
für solche DNA-degradierenden Prozesse stellen die extrazellulären Endonukleasen ExeM und
ExeS dar, die vermutlich sowohl die Akkumulation, als auch das Ablösen von Biofilm-Biomasse
aktiv mitgestalten, und zusätzlich – zumindest bei ExeM – in der Verwertbarkeit von DNA als
Phosphatquelle eine Rolle spielen. |
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DOI: | 10.17192/z2011.0466 |