Role of chemotaxis in autoaggregation of Escherichia coli

Viele Bakterien können miteinander kommunizieren und ihr Verhalten sowohl koordinieren als auch synchronisieren, indem sie extrazelluläre Signalmoleküle, sogenannte Autoinduktoren (Autoinducer), produzieren und analysieren. Ein Großteil der Autoinducer moduliert die intraartielle Kommunikation, Autoinducer 2 (AI-2) hingegen funktioniert als universelles Quorum-Sensing-Signal und ermöglicht so die interartielle Kommunikation. In dieser Arbeit zeigen wir neue Rollen des AI-2 in intra- und interartiellen Interaktionen von E. coli. Wir zeigen, dass Motilität und Chemotaxis eine entscheidende Rolle im kollektiven Verhalten - der Autoaggregation - von E. coli spielen. Dies liefert das erste physiologisch relevante Beispiel kollektiven baktieriellen Verhaltens, welches durch Chemotaxis zu einem selbstproduzierten Lockstoff angetrieben wird. Gleichermaßen bedeutsam ist unsere Entdeckung, dass diese Selbstanziehung durch das Quorum-Sensing-Signal AI-2 vermittelt wird. AI-2 wird von einer großen Anzahl an Bakterien, einschließlich E. coli, produziert, über die Signifikanz der AI-2-vermittelten Signalübertragung ist jedoch noch immer wenig bekannt. Mit Hilfe einer umfassenden Gesamtpopulations- und Einzelzellanalyse konnten wir schlüssig zeigen, dass der AI-2 Import und Metabolismus, den einzigen AI-2 Aufnahme abhängigen Phänotyp in E. coli darstellt. Nichtsdestotrotz zeigt unsere Arbeit, dass der AI-2 durch die Unterstützung des aggregativen Verhaltens mittels Chemotaxis, eine tatsächliche Signalfunktion in E. coli spielt. Eine solche AI-2-vermittelte Autoaggregation fördert nicht nur die bakterielle Stressresistenz, sondern auch die Bildung von Oberflächenbiofilmen. Unsere Arbeit stellt somit einen direkten Zusammenhang zwischen diesen beiden Formen des bakteriellen Kollektivverhaltens her, welche normalerweise getrennt behandelt werden. Wir zeigen außerdem, dass das Autoaggregationsverhalten und die Biofilmbildung von E. coli in Gegenwart von Enterococcus faecalis, welcher natürlicherweise im Darm von Säugetieren zusammen mit E. coli vorkommt, verstärkt wird. Zudem zeigen wir, dass diese Verstärkung auf die interartielle Signalgebung zurückzuführen ist, die durch AI-2 vermittelt wird. Das wiederum ermöglicht es E. coli, die Aktivität seines Quorum-Sensing-Systems aufrechtzuerhalten und seine Chemotaxis-abhängige Aggregation bei niedrigeren Zelldichten zu fördern. Die Bildung solcher gemischter Biofilme, durch zwei verschiedene Arten, erhöht die Stressresistenz, sowohl die von E. coli als auch die von E. faecalis.