Characterization of swarm-colony development reveals the release of a distinct cell type facilitating dissemination of Vibrio parahaemolyticus

Bacteria often experience changes in their external environment and have developed various strategies to respond accordingly. One mechanism to accommodate such changes involves the differentiation into specialized cell types suitable for the particular conditions. Vibrio parahaemolyticus exists as a...

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Main Author: Freitas, Carolina Duarte de
Contributors: Ringgaard, Simon (Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2019
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In der natürlichen Umgebung von Bakterien gibt es oft Veränderungen, und Bakterien haben verschiedene Strategien entwickelt um dementsprechend zu reagieren. Ein Mechanismus um sich an solche Veränderungen anzupassen ist die Differenzierung in Zellarten die für die jeweiligen Bedingungen spezialisiert sind. Vibrio parahaemolyticus kommt beispielsweise in Form von Schwimmerzellen vor, die an einen flüssigen Lebensraum angepasst sind, und in Form von Schwärmerzellen, die wiederum spezialisiert darauf sind auf festen Oberflächen zu wachsen. Schwärmer durchlaufen einen Differenzierungsprozess der zu Zellverlängerung und zur Produktion von vielen lateralen Flagellen entlang der Zelle führt, was notwendig zum Schwärmen ist. Individuelle V. parahaemolyticus Zellen können, je nachdem wo in einer Schwarmkolonie sie sich befinden, unterschiedliche Zellgrößen aufweisen. Insbesondere die langen Schwärmerzellen sind ausschließlich in der Kolonieperipherie zu finden, wohingegen das Zentrum der Kolonie aus wesentlich kürzeren Zellen besteht. Allerdings ist es nicht bekannt, wie sich die Koloniearchitektur im Laufe der Zeit oder als Reaktion auf Umweltschwankungen verändert. V. parahaemolyticus ist ein mariner Organismus und einer der Hauptverursacher von Gastroenteritis, hervorgerufen durch den Verzehr von Meeresfrüchten; darum ist es von besonderem Interesse die Faktoren zu verstehen, die an seiner Ausbreitung beteiligt sind. Durch Charakterisierung der Architektur und Entwicklung der Schwarmkolonie zeigen wir, dass eine neuentdeckte spezifisch differenzierte Zellart von der Schwarmkolonie in die Umgebung abgegeben wird. Mit Hilfe von Massenspektrometrie und konfokalen Mikroskopiemethoden zeigen wir, dass diese Zellen sich von den bisher bekannten kurzen Zellen im Zentrum und den Zellen in der Kolonieperipherie unterscheiden.Überraschenderweise war die Länge der freigesetzten Zellen sehr homogen und es wurden kaum lange Zellen gefunden. Dies deutet darauf hin, dass lange Schwärmerzellen nicht in das flüssige Umgebungsmilieu abgegeben werden sondern mit der Oberfläche verbunden bleiben. Wir zeigen auch, dass die freigesetzten Zellen die Fähigkeit haben sich in flüssigem Milieu auszubreiten und sich dann an anderen Oberflächen festzusetzen. Darüberhinaus weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass die freigesetzten Zellen optimiert zum Schwimmen sind und sich mit Hilfe von Chemotaxis zur Chitinkomponente N-Acetylgucosamin hin bewegen können. Mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie und Stereomikroskopie können wir die zeitliche Entwicklung der Schwarmkolonie beobachten und zeigen, wie die Koloniearchitektur sich im Laufe der Zeit mit verändernden Umweltbedingungen auch ändert. Unsere Ergebnisse bekunden, dass Schwarmkolonien selbst als kontinuierliche Quelle von Zellen dienen, welche in die Umgebung abgegeben werden. Das bedeutet, dass die Freisetzung von spezialisierten Zelltypen die Ausbreitung von V. parahaemolyticus aktiv unterstützt, und damit wahrscheinlich die Ökologie dieses marinen Bakteriums mit beeinflusst. Unsere Untersuchungen beinhalten außerdem den Grad der Veränderung des gesamten V. parahaemolyticus Proteoms im Hinblick auf verschiedene Umgebungsverhältnisse. Insbesondere stellen wir fest welche Proteine spezifisch in den Flares (fackelförmigen Ausbreitungen an der Schwarmperipherie), spezifisch im Schwarmzentrum, oder spezifisch unter plaktonischen Wachstumsbedingungen exprimiert werden. Durch Gendeletionen identifizieren wir potentielle Regulatoren der Schwärmerzelldifferenzierung. Weiterhin definieren wir welche Proteine in diesem Bakterium konstitutiv exprimiert werden. Unsere Ergebnisse zeigen wie flexibel das Proteom von V. parahaemolyticus auf verschiedene ökologische Nischen reagiert und wie es sich bei den einzelnen Populationen einer Schwarmkolonie unterscheidet. Weiterhin zeigen wir wie die Bildung und Freisetzung von spezialisierten Zellen einer Schwarmkolonie zur Ausbreitung eines wichtigen Humanpathogens in der Umwelt und damit auch der Ökologie dieses marinen Organismus beiträgt.