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Zentralinstitut für Ernährungs- und Lebensmittelforschung (ZIEL)

Abteilung Mikrobiologie
Technische Universität München
Weihenstephaner Berg 3
D-85350 Freising



 
Infektionsstrategien pathogener Darmbakterien

 Gruppenleiter: Prof. Dr. Thilo M. Fuchs


Mein Forschungsschwerpunkt liegt auf der molekularen Charakterisierung von Virulenzeigenschaften und metabolischen Eigenschaften, mit deren Hilfe sich die pathogenen Bakterienarten Salmonella typhimurium, Listeria monocytogenes und Yersinia enterocolitica erfolgreich an ihre intrazelluläre und extrazelluläre Umgebungen anpassen. 
Die entsprechenden molekularen Analysen werden in meiner Gruppe mittels pangenomischer Studien, Genomvergleiche, mehrdimensionale und Genom-weiter Screens, Genombibliotheken, Luziferase-gestützter Reportersysteme, Fluoreszenz-Mikroskopie, Expressionsprofilen, phänotypischer Microarrays, nicht-polarer Deletionen, biochemischer Assays, Wirts-Infektionsassays, Imaging-Systemen und 13C-Isotopologenanalyse durchgeführt. Als Wirtssysteme werden eukaryontische Zellkulturen, Insektenlarven, Caenorhabditis elegans, Amöben und Mäuse genutzt. Die erhobenen Daten liefern einen quantitativen und qualitativen Beitrag zur Modellierung bakterieller Anpassungsmechanismen. Darüberhinaus bieten sie eine Basis zur Auffindung von Zielmolekülen für neue Antibiotika oder Lebensmittelzusatzstoffe.










Kälteinduzierte Änderungen der Genexpression in Yersinia enterocolitica
Mitarbeiterin: M.Sc. Katharina Brauer


Yersinia enterocolitica ist ein Lebensmittelkeim, der in Menschen Gastroenteritis hervorrufen kann. In meiner Arbeitsgruppe konnte jüngst erstmals die insektizide Aktivität einer Yersinia-Spezies, nämlich Y. enterocolitica, nachgewiesen werden. Die hierfür verantwortlichen sog. Toxin-Komplex-Gene sind auf einer neuen Pathogenitätsinsel, tc-PAIYe, lokalisiert, die interessanterweise auch im Genom von Y. pestis vorliegt. Ein besonderes Merkmal dieser Toxine, die eine Alternative zum Bacillus thuringiensis-Toxin darstellen, ist ihre strikt temperaturabhängige Expression. Mit Hilfe des Luziferase-Reportersystems konnten wir zeigen, dass die bei 10°C, nicht jedoch bei 37°C kultivierten Bakterien die für Insekten letalen Substanzen bilden, woraus wir das Modell eines temperaturgesteuerten Oszillierens von Y. enterocolitica zwischen zwei getrennten Pathogenitätsphasen ableiteten, die die Ausbeutung von Invertebraten bei Umwelttemperaturen und die Infektion von Säugetieren bei Körpertemperatur erlauben. Desweiteren wurde ein umfangreicher Vergleich zwischen den Genomen von Y. enterocolitica und einem weiteren Insektenpathogen durchgeführt. Dessen Ergebnis wirft ein neues Licht auf die Verbreitung, aber auch auf die Evolution der Yersinien. In den auf diesem Gebiet laufenden Genom-basierten Arbeiten interessieren wir uns vorrangig für die molekularen Mechanismen der Toxinregulation, -freisetzung und –aktivität, aber auch für weitere genetische Determinanten, die an der Pathogenität von Yersinien gegenüber Insekten beteiligt sind.









 Neue Stoffwechselwege von Salmonella typhimurium

 Mitarbeiter: Dipl.-Biol. Johannes Rothhardt


Stoffwechselwege pathogener Bakterien spielen, wie erst kürzlich gezeigt wurde, eine spezifische Rolle bei der Vermehrung während einer Infektion, wodurch Metabolismus und Virulenz miteinander verknüpft werden konnten. Die Verwertung von Ethanolamin ist das herausragende Beispiel eines solchen Metabolismus. Ethanolamin ist im Darm und in Lebensmitteln ubiquitär vorhanden und kann in Coenzym B12-(Cobalamin)-abhängigen Schritten als hauptsächliche Quelle für Kohlenstoff, Stickstoff und Energie unter anaeroben Bedingungen genutzt werden. Wir untersuchten jüngst Salmonella enterica serovar Typhimurium, ein bereits extensiv erforschtes pathogenes Bakterium, dass beim Menschen Gastroenteritis und in Mäusen eine systemische Erkrankung hervorrufen kann, im Hinblick auf weitere an Infektionsprozessen beteiligte Stoffwechselwege. Eine Mutantenbank führte zur Identifikation einer 22.6 Kilobasen großen genomischen Insel (GEI4417/4436), die für die Fähigkeit zur Nutzung von meso-Inosit (MI) als alleiniger Kohlenstoffquellle kodiert. MI ist ein im Boden und auch im Blut von Säugetieren häufig vorkommendes Polyol. In seiner phosphorylierten Form, nämlich als Inosithexakiphosphat oder Phytat, dient es als Phosphorspeicher in Pflanzen, der wiederum von Nutztieren in Gegenwart mikrobieller Phytasen genutzt werden kann. Das Wachstum von Salmonellen auf MI ist durch eine außergewöhnlich lange Verzögerungsphase, die spezifische Bildung eines braunen Pigments und einen bistabilen Phänotyp gekennzeichnet (siehe Projekt unten). Die molekulare Charakterisierung der MI-Nutzung deckte eine komplexe Regulation auf, die mindestens zwei antagonistisch wirkende Regulatoren umfasst. Z. Zt. untersuchen wir die Funktion bislang unbekannter Gene der GEI4417/4436, das Verteilungsmuster dieser Insel innerhalb der Salmonellen sowie die Relevanz dieses Stoffwechselweges für das Salmonellen-Wachstums in eukaryontischen Wirten.


   

 



Bistabilität von Salmonella enterica sv. Typhimurium während des
Abbaus von myo-Inositol

 Mitarbeiter: M. Sc. Jessica Hellinckx


Unter Bistabilität versteht man die Aufspaltung einer isogenen Population in zwei koexistierende Zustände, die jeweils eine stabile Genexpression aufweisen. Dieses Phänomen wurde beispielhaft beim Laktoseabbau von Escherichia coli und der Sporulation bzw. Kompetenzentwicklung von Bacillus subtilis untersucht. Das pathogene Darmbakterium Salmonella Typhimurium (S. Typhimurium) besitzt die Eigenschaft, myo-Inositol (MI) als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle zu nutzen (siehe vorheriges Projekt), wobei das Wachstum in Flüssigkultur von einer verlängerten Anlaufphase und dessen Ende von einer hohen Variabilität innerhalb einer Population geprägt ist. Auf festem Nährboden mit MI zeigen die Salmonellen einen heterogenen Phänotyp, der sich in stark unterschiedlichen Koloniengrößen äußert. Während der Inkubation exprimiert ein Teil der Population bereits die Gene für den Abbau von MI, wohingegen die andere Subpopulation durch eine ausbleibende Expression das Substrat nicht verwerten kann. Weiterhin wurde die Ausbildung von Hysterese beobachtet, die eine Situation beschreibt, in der der induzierte Zustand der Gene für die Verstoffwechselung von MI auch nach Überführung der Salmonellen in ein MI-freies Medium noch für eine gewisse Zeit aufrechterhalten wird. Im Rahmen des DFG-Projektes SPP1617 über "Phänotypische Heterogenität und Soziobiologie von bakteriellen Populationen" sollen die einflussnehmenden Parameter quantifiziert und der molekulare Ursprung der Bistabilität von S. Typhimurium während der Verstoffwechslung von MI aufgedeckt werden. Dazu werden chromosomale Fusionen relevanter iol-Promotoren der Gene der genomischen Insel (GEI4417/4436) mit gfp-gestützten Reportersystemen auf Populations- und Einzelzellebene eingesetzt, die in Kombination mit Pertubationen die komplexe Regulation aufklären sollen. Auf Einzelzellebene werden durch Fluoreszenzmikroskopie, Durchflusszytometrie und "time-lapse"-Mikroskopie die Zustände und ihr dynamischer Wechsel innerhalb einer Population visualisiert. Bistabiles Verhalten kann auch die Virulenz von pathogenen Bakterien begünstigen. So wurde für S. Typhimurium bereits gezeigt, dass über ein heterogenes Verhalten einer selbstdestruktiven Population die Besiedelung des Wirts erleichtert wird. Dieser Mechanismus zur Risikostreuung wird als "bet hedging" bezeichnet. Bistabilität von Bakterien kann damit als eine Vorbereitung auf sich schnell ändernde Umgebungsbedingungen verstanden werden, die den Erhalt des Spezies sichern soll.








Die Interaktion von Salmonella enterica sv. Typhimurium mit der Mikrobiota des Wirtes in Abhängigkeit von der Ernährung

 Mitarbeiter: M. Sc. Nicoletta Nolle


Die Mikrobiota des Darms besteht aus annäherungsweise 1014 Mikroorganismen verschiedener Phylen und Spezies. Im gesunden Menschen dominieren die beiden Phylen Bacteroidetes und Firmicutes. In geringerer Menge ebenfalls häufig zu finden sind Lactobacillaceae, Mollicutes und Proteobacteria. Krankheit, Einnahme von Antibiotikum oder Ernährungswechsel führt zu einem veränderten Verhältnis der Bakterienzusammensetzung innerhalb der Mikrobiota. Dies wiederum ermöglicht schädlichen Bakterien die übliche Mikrobiota im Darm zu überwachsen. Zu diesen Pathogenen gehört auch Salmonella enterica, ein Gram negatives, stäbchenförmiges Bakterium, welches den terminalen Ileum (Abschnitt vom Dünndarm) und den Kolon (Abschnitt des Dickdarms) besiedelt. Basierend auf vergleichenden Literaturdaten wurde der Fokus auf Gene gerichtet, welche nach Mutation zu einer abgeschwächten Konkurrenzfähigkeit in verschiedenen Tiermodellen im Vergleich zum Wildtyp führten. Durch die Herstellung von Deletionsmutanten dieser ausgewählten, neuen und metabolisch aktiven Genen, soll die Konkurrenzfähigkeit in Abhängigkeit von verschiedenen Diäten und der Mikrobiota verifiziert werden. Mit Hilfe von Transkriptomanalysen sollen Salmonella Gene in einem in vivo Mausmodell identifiziert werden, die im Darm bei verschiedenen Diäten und Mikrobiota hochreguliert werden. In dieser Studie soll eine existierende Korrelation zwischen Nahrungsaufnahme, metabolischen Aktivitäten und Pathogenität von S. Typhimurium in Abhängigkeit von der Mikrobiota spezifiziert werden.





Intrazelluläre Replikation von Listeria monocytogenes
Mitarbeiter: M.Sc. Jakob Schardt


Das natürliche Habitat von Listerien ist die bodendeckende Schicht von sich zersetzendem Pflanzenmaterial. Über kontaminierte Nahrungsmittel gelangen die Bakterien auch zum Menschen, wo sie nach oraler Aufnahme insbesondere bei immungeschwächten Personen Gastroenteritis auslösen können. Die zwei krankheitserregenden Arten, nämlich L. monocytogenes und L. ivanovii, sind fakultativ intrazelluläre Parasiten, die sich sowohl in Makrophagen wie auch in nicht-phagozytierenden Zellen wie Epithelzellen oder Leberzellen vermehren können. Die meisten Virulenzfaktoren, die für wichtige Schritte des listeriellen Infektionszyklus verantwortlich sind, wurden in den vergangenen Jahren identifiziert und charakterisiert. Über die Rolle des Metabolismus von Listerien für deren Virulenz war jedoch lange Zeit wenig bekannt. In Zusammenarbeit mit W. Eisenreich (Garching) wendeten wir zuletzt die Isotopologenanalyse an, um metabolische Flüsse intra- und extrazellulärer Listerien zu messen. Die aus der Verwertung von markierten Kohlenstoff- und Stick-stoffquellen resultierenden Isotopologenprofile erlaubten weitreichende Schlüsse bezüglich des kompartimentspezifischen Metabolismus von L. monocytogenes. In einem aktuellen Projekt beschäftigen wir uns mit der Frage, welche metabolischen Fähigkeiten von Listerien zur Überwindung der Kolonisierungsresistenz im Darm beitragen.




 









Aktuelles

Forschungspreis
Otto-von-Guericke Forschungspreis für Siegfried Scherer

Preisverleihung
Innovationspreis für Siegfried Scherer

Paper
Spoilage of Microfiltered and Pasteurized Extended Shelf Life Milk Is Mainly Induced by Psychrotolerant Spore-Forming Bacteria that often Originate from Recontamination

Paper
Transcriptional and translational regulation by RNA thermometers, riboswitches and the sRNA DsrA in Escherichia coli O157:H7 Sakai under combined cold and osmotic stress adaptation. (2016)

Paper
Hysteresis in myo-inositol utilization by Salmonella Typhimurium (2016)

Paper
Probiotic Enterococcus faecalis Symbioflor® down regulates virulence genes of EHEC in vitro and decrease pathogenicity in a Caenorhabditis elegans model (2017)

Paper
Draft Genome Sequence of Lysinibacillus xylanilyticus SR-86 (Nov. 2016)

Paper
Permanent colonization of creek sediments, creek water and limnic water plants by four Listeria species in low population densities (November 2016)

Paper
Draft Genome Sequence of the Xanthan Producer Xanthomonas campestris LMG 8031 (Oktober 2016)

Paper
Comparative Bioinformatics and Experimental Analysis of the Intergenic Regulatory Regions of Bacillus cereus hbl and nhe Enterotoxin Operons and the Impact of CodY on Virulence Heterogeneity (Mai 2016)

Paper
Regulation of fucose and 1,2-propanediol utilization by Salmonella enterica serovar Typhimurium (März 2016)

Paper
Acidified nitrite inhibits proliferation of Listeria monocytogenes - Transcriptional analysis of a preservation method (März 2016)

Berufung Expertenrat
Prof. Dr. Siegfried Scherer wurde in den Expertenrat für Lebensmittelsicherheit des Bayerischen Staatsministeriums für Umwelt und Verbraucherschutz berufen.

Paper
Translatomics combined with transcriptomics and proteomics reveals novel functional, recently evolved orphan genes in Escherichia coli O157:H7 (EHEC)

Paper
A sensitive and robust method for direct determination of lipolytic activity in natural milk environment (März 2016, online first)

Paper
Evidence for the recent origin of a bacterial protein-coding, overlapping orphan gene by evolutionary overprinting (Dez. 2015).

Paper
Massive horizontal gene transfer, strictly vertical inheritance and ancient duplications differentially shape the evolution of Bacillus cereus enterotoxin operons hbl, cytK and nhe (Nov. 2015)

Paper
Chemodiversity of cereulide, the emetic Toxin of Bacillus cereus (2015)