Ergebnisbericht 2010/11 - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

90
WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | Infektion und Immunität | Wirt-Pathogen-Interaktionen
02.7 Metabolische Diversität
PROJEKTLEITER | Prof. Dr. Dietmar Pieper | Arbeitsgruppe Mikrobielle Interaktionen und Prozesse |
dpi@helmholtz-hzi.de
PROJEKTMITARBEITER | Dr. Ramiro Vilchez | Dr. Melissa Wos | Macarena Marin | Daiana Morales | Amelia Silva
Mikroorganismen leben in ihren natürlichen Lebensräumen
in komplexen Gemeinschaften, deren Zusammensetzung
und Funktion stark von den Umgebungsbedingungen
beeinfl usst wird. Das Verständnis ihrer Funktion mit dem
Ziel einer rationalen Beeinfl ussung und Nutzung ist nicht
nur in marinen oder terrestrischen Ökosystemen wichtig.
Auch der menschliche Körper ist von Bakterien in Mengen
besiedelt, die die Zahl der menschlichen Zellen übersteigen.
Diese wirtsassoziierten Mikroorganismen können für die
menschliche Gesundheit vorteilhaft sein, stellen aber auch
ein Reservoir für opportunistische Pathogene dar.
Gemeinschaften in der Nase Die menschlichen Nasenhöhlen
sind die Hauptquelle und Risikofaktor für Infektionen
durch Staphylococcus aureus, einen zunehmend
multiresistenten Erreger, der für ein großes Spektrum von
Infektionskrankheiten verantwortlich ist. Über die Zusammensetzung
der nasalen Mikrofl ora und mögliche Wechselwirkungen
zwischen Mitgliedern ist jedoch wenig bekannt.
Wir haben nun die Zusammensetzung der Gemeinschaft
von 40 Freiwilligen mittels neuer kultivierungsunabhängiger
Methoden untersucht und das Vorhandensein von
bisher nicht als dominant angenommenen Organismen wie
Finegoldia magna, Dolosigranulum pigrum, Anaerococcus sp.
oder bisher nicht kultivierten Actinomyceten nachgewiesen.
Wir haben auch mögliche Wechselwirkungen zwischen
S. aureus und anderen mikrobiellen Arten untersucht
und, als Beispiel, eine statistisch signifi kante negative
Beziehung zwischen S. aureus und F. magna beobachtet,
was darauf hinweist, dass diese Arten eine wesentlich
unterschiedliche Verteilung haben und nicht die gleiche
Nische besiedeln können. Diese bisher unbeschriebenen
Co-Kolonisierungsmuster und Unterschiede in der Artenzusammensetzung
liefern Erkenntnisse für zukünftige
Interventionsstrategien zur Bekämpfung von Infektionen
durch S. aureus.
Gemeinschaften des Darms Die Struktur der mikrobiellen
Gemeinschaft des menschlichen Darms (Mikrobiom) wird
durch genetische Faktoren des Wirts und Umweltfaktoren
bestimmt, wobei Veränderungen in der Struktur mit dem
Ausbruch verschiedener Krankheiten in Verbindung gebracht
wurden. Die Etablierung eines defi nierten menschlichen
Darm-Mikrobioms in Nagetiermodellen bietet eine
Möglichkeit, entsprechende Zusammenhänge zu untersuchen.
Wir haben nun die Effektivität, Qualität und Stabilität des
menschlichen Mikrobioms in keimfreien Ratten sowie Mäusen
und in mit Antibiotika behandelten Mäusen verglichen.
Hierbei wurden bemerkenswerte Unterschiede zwischen
den verschiedenen Modellen beobachtet. Während die
Mehrheit der dominanten menschlichen Spenderbakterien
in keimfreien Ratten etabliert wurde, war nur ein Teil
hiervon in keimfreien Mäusen nachweisbar. Insbesondere
Mitglieder der Clostridien des Clusters IV, wichtige Buttersäureproduzenten,
die zur Gesundheit des Darms beitragen,
konnten die Maus nicht besiedeln. Unsere Ergebnisse
zeigen, dass die genetische Ausstattung des Empfängers
die Wirksamkeit und Qualität der Übertragung der menschlichen
Darmfl ora stark beeinfl usst, und klären die Eignung
der Modelle.
Umwelt-Gemeinschaften und neue Stoffwechselwege
Wir haben auch unsere analytischen Werkzeuge zur Analyse
mikrobieller Gemeinschaften in kontaminierten Umwelten
optimiert. Mittels eines neuartigen Genarrays zur
schnellen Überwachung der Vielfalt und Menge an Genen
des Schadstoffabbaus in Kombination mit metagenomischen
Screeningmethoden konnte deren Struktur (auf DNA-
Ebene) und Funktion (durch mRNA-Analyse) zuverlässig
beschrieben werden. Diese kulturunabhängigen Analysen
wurden durch die Aufklärung von neuen Stoffwechselwegen
und neuartigen Enzymen ergänzt.
Scheithauer BK, Wos-Oxley ML, Ferslev B, Jablonowski H, Pieper DH. (2009). Characterization
of the complex bacterial communities colonizing biliary stents reveals a host-dependent
diversity. ISME Journal 3:797-807.
Wos-Oxley M, Plumeier I, von Eiff C, Taudien S, Platzer M, Vilchez-Vargas R, Becker K and
Pieper DH. (2010). A poke into the diversity and associations within human anterior nare
microbial communities. ISME Journal 4:839-851.
Brennerova MV, Josefi ova J, Brenner V, Pieper DH, Junca H. (2009). Metagenomics reveals
diversity and abundance of meta-cleavage pathways in microbial communities from soil
highly contaminated with jet fuel under air sparging bioremediation. Environmental
Microbiology 11:2216-2227.
Vilchez-Vargas R, Junca H, Pieper DH. (2010). Metabolic networks, microbial ecology and
‚omics‘ technologies: towards understanding in situ biodegradation processes. Environmental
Microbiology 12:3089-3110.