Bacterial Danger Sensing Protects Against Bacteriophage Predation

Die Anpassungsfähigkeit von Bakterien an ungünstige Bedingungen, in der Umwelt oder in ihren eukaryotischen Wirten, ist für das Überleben und die Vermehrung von Bakterien essentiell. Bakterien sind häufig Bakteriophagen (einfach als Phagen bezeichnet) ausgesetzt, die eine ernsthafte Bedrohung für das bakterielle Überleben darstellen. Phagen sind natürliche Predatoren von Bakterien, da sie Bakterienzellen als Wirt für die Replikation nutzen und anschließend ihre Nachkommenschaft durch Lyse der Wirtszelle freisetzen. Bakterien zeigen eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber sich ändernden Umweltbedingungen, wenn sie als zelluläre Gemeinschaft, eingebettet in selbst produzierter Matrix, leben. Solche bakteriellen Gemeinschaften werden auch als Biofilme bezeichnet. Die Matrix besteht aus sekretierten Polysacchariden und Proteinen, welche die Bakterienzellen umhüllen und sie im Vergleich zu planktonischen Zellen schützen, Phagenangriffe zu überleben. Obwohl sich die Biofilmbildung als Vorteil für das Überleben von Bakterien gegen Phagenbefall erwiesen hat, ist der Mechanismus, wie Bakterien die Anwesenheit von biotischen Stressfaktoren wie Phagen wahrnehmen und wie sie die Biofilmbildung als Reaktion darauf initiieren, unbekannt. Um die Interaktionen zwischen Phagen und Bakterien zu untersuchen, wurde der Modellorganismus Vibrio cholerae verwendet. V. cholerae ist ein humaner Krankheitserreger und verursacht die Krankheit Cholera. V. cholerae-Zellen bilden Biofilme, um sowohl in ihrer aquatischen Umgebung als auch im menschlichen Wirt zu überleben. Darüber hinaus treffen V. cholerae-Zellen in diesen beiden Habitaten auf Phagen, die nachweislich das Wachstum von V. cholerae-Gemeinschaften einschränken und deren Evolution beeinflussen. Einer der lytischen Phagen, der mit V. cholerae co-isoliert wurde und für die Infektion einer Reihe von V. cholerae-Stämmen verantwortlich ist, genannt Vibriophage N4, wurde in dieser Studie als virales Agens verwendet. Die in dieser Arbeit beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass V. cholerae aktiv Biofilme als Reaktion auf die Exposition mit Vibriophage N4 bildet. Diese bakterielle Reaktion wurde weder durch die Selektion von phagen-resistenten Mutanten, noch durch Hypermatrix-produzierende Mutanten verursacht. Ein kombinierter Ansatz von Proteomik und Transkriptomik deckte auf, dass die Zellen die Produktion von Biofilm-Matrix-Komponenten nach Phagen-Exposition initiierten. Die Biofilm-Matrix-Produktion wurde auch mittels konfokaler Fluoreszenzmikroskopie bestätigt. V. cholerae-Zellen waren vor Phagen geschützt, solange sie in die Biofilm-Matrix eingebettet waren. Infektion durch Phagen war jedoch möglich solange noch keine Biofilme gebildet wurden, und kontraintuitiv ging der Biofilmbildung immer eine initiale Zelllyse voraus. Dies führte zu der Hypothese, dass die Phagen-induzierte Zelllyse für die Bakterien notwendig ist, um eine Biofilm-Antwort hervorzurufen. Indem V. cholerae-Zellen Bakterienlysaten ausgesetzt wurden, konnte bestätigt werden, dass die Biofilmbildung in V. cholerae nicht durch die Phagen selbst, sondern durch eine Komponente lysierter Bakterienzellen ausgelöst wurde. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass dieser Biofilm-induzierende Faktor allgemein für Lysate aus verschiedenen gramnegativen und -positiven Bakterien gilt. Durch die Identifizierung der zellulären Fraktion, aus der der Biofilm-induzierende Faktor stammte, wurde Peptidoglykan als das Signal zur Induktion der Biofilmbildung entdeckt. Das Erkennen von Peptidoglykanfragmenten aus lysierten Zellen diente als indirektes Signal für die Anwesenheit von lyse-induzierenden Entitäten (wie z. B. Phagen), weshalb es sich bei diesem Phänotyp um eine bakterielle Erkennung von Gefahr handelt. Mit Hilfe der Transkriptomik wurde die bakterielle Reaktion auf Peptidoglykan charakterisiert, und es wurde festgestellt, dass Gene, die mit der Produktion eines intrazellulären sekundären Botenmoleküls, c-di-GMP, zusammenhängen, hochreguliert sind. Zusätzlich wurden auch Gene, die für Komponenten der Biofilm-Matrix kodieren, hochreguliert, ähnlich dem Proteom- und Transkriptom-Profil von Zellen, die eine Phagen-Infektion überlebt haben. Die Produktion von c-di-GMP und Biofilm-Matrix in V. cholerae-Zellen während der Peptidoglykan-Exposition wurde mittels konfokaler Fluoreszenzmikroskopie visualisiert. Da bekannt ist, dass c-di-GMP eine entscheidende Rolle bei der Induktion der bakteriellen Biofilmbildung spielt, war es wahrscheinlich, dass die Peptidoglykan-Exposition die Biofilmbildung in V. cholerae über c-di-GMP reguliert. Peptidoglykan erwies sich auch als relevantes Signal für die Induktion der Biofilmbildung in Pseudomonas aeruginosa, was darauf hindeutet, dass die Erkennung von Gefahren in Bakterien konserviert sein könnte. Diese Ergebnisse zeigen, wie Gefahren-Signale die bakterielle Biofilmbildung induziert, um eine schnelle und allgemeine Reaktion zum Schutz der Zellen gegen Phagen und möglicherweise andere lytische Belastungen zu ermöglichen.