Ergebnisbericht 2010/11 - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

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WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | Infektion und Immunität | Wirt-Pathogen-Interaktionen
02.3 Mikrobielle Kommunikation
PROJEKTLEITER | Prof. Dr. Irene Wagner-Döbler | Arbeitsgruppe Mikrobielle Kommunikation | iwd@helmholtz-hzi.de
PROJEKTMITARBEITER | Dr. Helena Sztajer | Dr. Brigitte Kunze | Dr. Michael Reck | Andre Lemme | Xiaoli Xue |
Ina Buchholz | Jürgen Tomasch | Thomas Riedel | Diana Patzelt | Szymon Safranski | Hui Wang
Bakterien synthetisieren Signalmoleküle, sogenannte Auto -
inducer, die ins Medium ausgeschieden werden und wichtige
physiologische Eigenschaften in Abhängigkeit von ihrer
Konzentration regulieren. Diese wird von speziellen Rezeptoren
in der Membran oder im Zellinneren „gemessen“.
Oberhalb eines Grenzwertes, dem sogenannten Quorum,
induzieren die Signalmoleküle zum Beispiel die genetische
Kompetenz bei dem Kariesbakterium Streptococcus mutans,
was zu verstärktem genetischen Austausch und Biofi lmbildung
führt. Diese Art der Kommunikation zwischen
Bakterienzellen heißt daher Quorum Sensing und spielt
eine zentrale Rolle bei Infektionen und Symbiosen. Das
Verständnis der Mechanismen des Quorum Sensing eröffnet
neue Möglichkeiten, Infektionen zu beeinfl ussen und potenzielle
Alternativen für Antibiotika zu entwickeln.
Interkingdom signalling: Das Kariesbakterium Streptococcus
mutans hemmt die Hyphenbildung des humanpathogenen
Pilzes Candida albicans Streptococcus mutans ist
ein Bestandteil der polymikrobiellen Biofi lme auf Zähnen
und stark mit der Bildung von Karies assoziiert. Neben hunderten
von anderen Bakterienarten kommen in der Mund -
höhle auch Pilze vor, z.B. der humanpathogene Pilz Candida
albicans, der bei immungeschwächten Patienten, nach
Antibiotikatherapien oder im Alter zu unangenehmen Pilzinfektionen
führen kann. Bei Untersuchungen an Signal-
Dinoroseobacter shibae auf seiner Wirtsalge, dem marinen
Dinofl agellaten Prorocentrum lima. Die Bakterien sind
durch CARD-FISH (catalyzed reporter deposition fl uorescent
in situ hybridisation) spezifi sch angefärbt. Die restliche
Bakterienfl ora ist unter diesen Bedingungen unsichtbar. Der
orange Punkt ist das sogenannte Pyrenoid, eine Region des
Plastiden, die besonders hohe Konzentrationen des Enzyms
Rubisco enthält. Foto: HZI
molekülen von S. mutans sind wir auf eine fettsäureähnliche
Verbindung gestoßen, SDSF (Streptococcus diffusible signal
factor). Sie unterdrückt die Bildung von Hyphen von C.
albicans, die für die Virulenz und die Biofi lmbildung sehr
wichtig sind. SDSF hat starke strukturelle Ähnlichkeit zu
Farnesol, dem Quorum Sensing Signal von C. albicans, so
dass es sich hier um eine Art Quorum Sensing Mimikry
über große phylogenetische Distanz, d.h. zwischen dem
Reich der Bakterien und dem Reich der Pilze, handelt.
Suche nach Inhibitoren für Biofi lmbildung Wir haben kleine
chemische Moleküle identifi ziert, mit denen die mikrobielle
Kommunikation gestört werden kann. Besonders interessant
ist Carolacton, das von dem Bodenbakterium Sorangium
cellulosum gebildet wird, da es nicht antibiotisch oder
zytotoxisch wirkt, sondern selektiv die Biofi lmbildung
bei Streptotoccus mutans hemmt. Carolacton führt zu
Membranschädigung und Zelltod und stört dadurch die
Biofi lmentwicklung. Untersuchungen mittels Microarray
lassen vermuten, dass durch Carolacton mehrere der Zweikomponentensysteme,
die in S. mutans die Anpassung an
Umweltbedingungen und das Quorum Sensing steuern, gehemmt
werden. Mechanismus und mögliche Anwendungen
von Carolacton für die Kariesprophylaxe werden derzeit in
einem systembiologischen Verbundprojekt untersucht.
Quorum Sensing bei Roseobacter Die Bakterien der Roseobacter
Gruppe spielen eine große Rolle für die Stoffkreisläufe
im Meer, da sie dort bis zu 25% aller Bakterienzellen
ausmachen können. Dinoroseobacter shibae, einer der
beiden Modellorganismen im Transregio Roseobacter, lebt
in Symbiose mit einzelligen, marinen Algen. D. shibae
versorgt die Algen mit den lebenswichtigen Vitaminen B12
(Cobalamin) und B1 (Thiamin) und bekommt dafür Zucker
für seinen heterotrophen Stoffwechsel. Wir untersuchen
derzeit die Rolle von Quorum Sensing für diese Symbiose
sowie die Bedeutung der Photosynthese für den Stoffwechsel
des Bakteriums, das im Licht durch Photophosphorylierung
ATP gewinnt, weniger Kohlenstoff verbrennen muss und
damit CO 2 „spart“.
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Wagner-Döbler, I., Ballhausen B, Baumgart M, Brinkhoff T, Buchholz I, Bunk B, Cypionka
H, Daniel R, Drepper T, Gerdts G, Hahnke S, Han C, Jahn D, Kalhoefer D, Kiss H, Klenk H-P,
Kyrpides N, Liebl W, Liesegang H, Meincke L, Pati A, Petersen J, Piekarski T, Pommerenke
C, Pradella S, Pukall R, Rabus R, Stackebrandt E, Thole S, Thompson L, Tielen P, Tomasch
J, von Jan M, Wanphrut N, Wichels A, Zech H, Simon M. (2010) The complete genome
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