Dynamics of bacterial biofilm predation

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Interaktion zwischen Bakterien und zwei, natürlich in der Umwelt, vorkommenden Prädatoren. Das erste Projekt befasste sich mit den Dynamiken der Infektion von Escherichia coli AR3110 Biofilmen mit T7 Bakteriophagen (vereinfacht: Phagen). Konfokale Fluoreszenzmikroskopie mit anschließender Bildanalyse ermöglichte eine genaue Aufklärung, wie bakterielle Gemeinschaften durch die Produktion von Biofilm- Matrix vor einer Infektion durch Bakteriophagen geschützt werden. Der Einsatz von genetisch modifizierten T7 Phagen und die darin resultierende Produktion von sfGFP durch infizierte Bakterien ermöglichte eine präzise Detektion von infizierten Wirtszellen. Als Biofilme verschiedenen Alters T7 Phagen ausgesetzt wurden, konnte in Abhängigkeit des Entwicklungsstadiums der Biofilme ein Schutz vor einer Phageninfektion beobachtet werden. Bakterien innerhalb von Biofilmen bis zu einem Alter von 48h konnten erfolgreich von T7 Phagen infiziert werden. Demgegenüber konnten Biofilme ab einem Alter von 60h nicht von T7 Phagen infiziert werden. Der Schutz von E.coli Biofilmen vor einer Phageninfektion hängt einzig und allein mit der Anwesenheit von sogenannten amyloiden Curli Fibern innerhalb der Biofilm-Matrix zusammen. Das Ausbleiben der Phageninfektion ist zudem zeitlich geknüpft mit der Produktion von Curli Fibern. Der Mechanismus, wie Curli Fibers die Phageninfektion verhindern, konnte anhand der Analyse der Biofilm-Architektur sowie der raumzeitlichen Visualisierung von Phagen-Partikeln während der Co-Inkubation mit bakteriellen Biofilmen oder in vitro hergestellten künstlichen Biofilmen aufgeschlüsselt werden. Curli Fibers sorgen für einen engen Zusammenhalt der Bakterien untereinander und füllen den Freiraum zwischen benachbarten Zellen, sodass die Invasion der bakteriellen Gemeinschaft durch Phagen blockiert wird. Zudem ist die Produktion von Curli Fibers notwendig als auch ausreichend, um einzelnen Zellen Schutz vor Phageninfektion zu gewähren. Zusammenfassend konnte in Untersuchungen auf Populations- sowie Einzelzellebene gezeigt werden, dass Curli Fibers Biofilme im kollektiv, aber auch individuelle Curli Fibers produzierende Zellen vor einer Infektion durch Phagen schützen. Im zweiten Projekt wurde die Interaktion zwischen Vibrio cholerae und humanen Makrophagen untersucht. V. cholerae besiedelt üblicherweise den Dünndarm und löst die Durchfallerkrankung Cholera aus. Makrophagen sind Teil des angeborenen Immunsystems und verantwortlich für die Beseitigung von eingedrungenen Bakterien in Geweben. Untersuchungen konnten zeigen, dass V. cholerae in der Lage ist, sich in vitro an Makrophagen anzuheften. Im Anschluss folgte die Biofilmbildung auf der Oberfläche der Makrophagen, sowie darauffolgend das Auflösen der bakteriellen Gemeinschaft. Untersuchungen zur Interaktionsdynamik konnten zeigen, dass die Besiedlung der Makrophagenoberfläche von Flagellen sowie Pili abhängig ist. Das polare Flagellum zusammen mit MSHA Pili ermöglicht die Adhäsion der Bakterien an die Oberfläche der Makrophagen. Während der Biofilmbildung produziert V.cholerae toxin-coregulierte Pili (TCP), welche für einen festen Zusammenhalt zwischen Zellen sorgen und zur unvollständigen Auflösung des Biofilms beitragen. Weitere Interaktionsstudien haben gezeigt, dass V. cholerae im Besitz eines polaren Flagellums auf die Produktion von nur einer Sorte von Pili, MSHA Pili oder TCP, angewiesen ist, um Biofilme auf der Oberfläche von Makrophagen auszubilden. Hauptkomponenten der Matrix beschrieben für V. cholerae Biofilme (RbmA, RbmC, Bap1 und VPS) sind nicht essentiell für die Besiedlung von Makrophagen in vitro. Zusammenfassend zeigen diese Beobachtungen eine Inversion des klassischen Räuber-Beute-Konzepts, wo Bakterien durch Biofilmbildung Phagozytose umgehen können, was bisher noch nicht für V. cholerae beschrieben wurde.