Role of chemotaxis, cyclic-di-GMP and type 1 fimbriae in Escherichia coli surface attachment

Bakterien kommen in ihrer natürlichen Umwelt normalerweise nicht als einzelne Zellen vor, sondern als Teil von Gemeinschaften, die als Biofilme bezeichnet werden. Um solche Biofilme zu etablieren, müssen sich Bakterien typischerweise an Oberflächen anheften. Die Fähigkeit sich an verschiedene Oberflächen anzuheften spielt zudem eine wichtige Rolle bei bakteriellen Infektionen. Hierbei vermitteln bakterielle Zellanhänge, auch bekannt als Adhäsine, die Interaktion zwischen Bakterium und Oberfläche. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Studien zur Entstehung von Biofilmen und bakterieller Adhäsion durchgeführt. Welche Rolle die einzelnen Adhäsine bei der Anhaftung und Erkennung von verschiedenen Oberflächen einnehmen bleibt jedoch noch immer unklar. In dieser Arbeit wurde untersucht welche Rolle Motilität und die wichtigsten Adhäsine von E. coli auf die Anhaftung an hydrophobe und hydrophile Oberflächen bzw. in fließenden und nicht fließenden Flüssigkeiten, hat. Darüber hinaus wurde untersucht welchen Einfluss Chemotaxis und der Second Messenger bis-(3',5')-zyklischem di-Guanosinmonophosphat (c-di-GMP) auf die erste Phase der bakteriellen Anheftung hat. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die durch Flagellen vermittelte Motilität für das Erreichen der Oberfläche essenziell ist. Wobei nicht bewegliche Bakterien eine beeinträchtigte Oberflächenanhaftung und -besiedlung zeigten. Obwohl berichtet wurde, dass Flagellen eine Rolle bei der Anheftung spielen, die über Motilität hinausgeht, war ihre Relevanz für die Anheftung stark vom Versuchsaufbau und der Anheftungsphase abhängig. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass sie als sekundäre Adhäsine für die Anhaftung an mannosylierten Oberflächen und für die Anhaftung in fließenden Flüssigkeiten wichtig sind. Flagellen verbesserten jedoch nicht die Anhaftung an abiotische Oberflächen. Unter bestimmten Bedingungen beeinträchtigten nicht rotierenden Flagellen die Anhaftung, anstatt sie zu begünstigen. Die Motilität in E. coli wird durch das Chemotaxis-System und den Second-Messenger c-di-GMP gesteuert. Die Rolle von Chemotaxis wurde mittels Chemotaxis-defizienten Stämmen und deren Stimulation mit Lockstoffen untersuch und zeigte, dass durch eine Verringerung des Taumelns die Zellen länger in geraden Bewegungen an der Oberfläche schwimmen und dadurch die Anheftung begünstigt wird. In Bezug auf c-di-GMP wurden Mutanten von Diguanylatcyclasen und Phosphodiesterasen, die für den c-di-GMP-Pool in der Zelle verantwortlich sind, sowie Stämme ohne Flagellenbremse YcgR verwendet. Obwohl c-di-GMP normalerweise als ein Biofilm förderndes Signal angesehen wird, zeigen die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse, dass ein niedrigerer c-di-GMP Spiegel die Anhaftung und Besiedlung von Oberflächen verbessern, indem die Schwimmgeschwindigkeit der Bakterien erhöht wird. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Typ-1-Fimbrien die erhöhte Anhaftung dieser schnell schwimmenden Bakterien vermitteln. Sowohl der Effekt von Chemotaxis als auch von c-di-GMP wurden auf abiotischen und mannosylierten biomimetischen Oberflächen beobachtet. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde zudem beobachtet, dass Typ-1-Fimbrien für die langfristige Anhaftung und das Wachstum auf Oberflächen entscheidend sind. In der Abwesenheit von Proteinsynthese und Zellteilung ist die Notwendigkeit von Fimbrien zu späteren Zeitpunkten der Anhaftung vernachlässigbar. Obwohl angenommen wurde, dass Unterschiede in der Flagellenexpression für die Notwendigkeit von Fimbrien für die Anheftung verantwortlich sind, konnte gezeigt werden, dass Flagellen das Fehlen von Fimbrien nicht kompensierten können. In der Abwesenheit von Motilität waren Fimbrien jedoch nicht essenziel für das Wachstum an Oberflächen. Nicht motile begeißelte Zellen konnten sich an Oberflächen anheften und wachsen. Die Analyse des gesamten Proteoms zeigte einen Anstieg von Fimbrien-Proteinen beim Anheften von motilen Zellen, was auf einen möglichen Downstream-Effekt, der durch Fimbrien vermittelte Erkennung von Oberflächen hinweist. Dies konnte jedoch nicht den phänotypischen Unterschied zwischen Wildtyp- und nicht motilen aber begeißelten Zellen erklären. Daher wurden mögliche Erklärungen vorgeschlagen, wie das Fehlen von Motilität die Notwendigkeit von Fimbrien bei langfristiger Anheftung umgehen kann.