Initiation des Plasmid-transfers

Gram-negative Bakterien besitzen transmembranäre Multi-Protein Komplexe für den Export von Proteinen und DNA Molekülen. Diese Sekretions-Systeme können Makromoleküle direkt auf andere Bakterien-, Pflanzen- oder Tierzellen übertragen. Eine Klasse dieser Transporter, sogenannte Typ IV Sekretions-Systeme (T4SS), ermöglicht die Verbreitung von Antibiotika-Resistenzgenen zwischen Bakterien. Als wichtige Virulenzfaktoren befähigen sie Mikroorganismen, Toxine zu sekretieren und dem Immunsystem des Wirtes zu entkommen. Somit spielen sie eine zentrale Rolle im Infektionensgeschehen. T4SS-mediierte Übertragung bakterieller DNA auf Pflanzenzellen verursacht Tumorerkrankungen bei Kulturpflanzen. Dies zeigt die große Relevanz der T4SS sowohl für die menschliche Gesundheit als auch für die Landwirtschaft mit weitreichenden wirtschaftlichen Folgen. Dieses Forschungsprogramm ist die Fortführung eines Projektes, welches die molekularen Kontrollmechanismen von T4SS über regulierte Expression von Transfer- Komponenten und Schritte der Substratsynthese untersuchte. Basierend auf diesen Daten soll nunmehr die T4SS-mediierte Adhärenz von Bakterien an bakterielle Zellen, sowie die damit verbundene Ausbildung von Biofilmen untersucht werden. Biofilme sind komplexe oberflächenassozierte Gemeinschaften von Bakterien. Diese bilden äußerst widerstandsfähige Überzüge auf Schleimhäuten, medizinischen Implantaten oder Wasserleitungen. In Biofilmen sind Keime äußerst resistent gegenüber Antibiotika und der Abwehr durch das Immunsystem. Durch den Einsatz fluoreszierender Reporter und Mikroskopie sollen sowohl die T4SS-induzierte Biofilm-Bildung als auch die T4SS-mediierte Verbreitung von Antibiotika- Resistenzgenen auf Nachbarzellen in situ untersucht werden. Neu entwickelte Methoden, die eine Visualisierung intermediärer Schritte des Transport-Prozesses erlauben, und erweiterte genetische und biochemische Analysen der Enzyme, welche die Export-Moleküle für das Sekretionssystem bereitstellen, werden mechanistische Einblicke in T4SS ermöglichen. Damit könnten in Zukunft neue Therapieansätze durch Inaktivierung von T4SS gewonnen werden. Der Modellorganismus E. coli und gut charakterisierte Plasmid-Konjugationssysteme sollen in dieser Studie verwendet werden.

Im Rahmen des abgeschlossenen Projektes wurden jene molekularen Prozesse untersucht, die es Bakterien erlauben, Gene untereinander auszutauschen. Oft sind diese Gene für die Resistenz gegen Antibiotika, Virulenz oder zelluläre Adhäsion verantwortlich. Um diesen Gen-Austausch zu bewerkstelligen, benötigen Bakterien komplizierte Multi-Proteinkomplexe, die über die Zellmembran hinweg das Zellinnere mit der Außenwelt verbinden. Dabei handelt es sich eigentlich nicht nur um einfache "Tunnelproteine", sondern um komplexe Transportsysteme, die einen Protein- oder DNA-Export aus Bakterienzellen bei gleichzeitigem Import der "Fracht" in die Wirtszellen (z.B. Bakterien- Pflanzen-, oder Tierzellen) ermöglichen. Für Menschen wirken sich diese Effekte direkt auf die Gesundheit aus, weil sie zum Beispiel Resistenzgene für Antibiotika übertragen und dadurch Antibiotika-Therapien unwirksam machen. Das von uns untersuchte Transportsystem (T4SS) erlaubt eine bessere "Haftung" zwischen Überträger- und Empfängerzellen, wodurch Bakterien befähigt werden so genannte Biofilme zu bilden, die häufig an natürlichen Oberflächen, wie z.B. Wasserleitungsrohren oder medizinischen Implantaten von Patienten vorkommen. In Biofilmen sind Bakterien extrem resistent gegen Antibiotika oder Angriffe durch das Immunsystem und entziehen sich daher einer effizienten Elimination. Unsere Arbeit zielt auf ein Verständnis der Rolle von T4SS bei der Bildung von bakteriellen Biofilmen ab. Außerdem wollen wir die molekularen Mechanismen verstehen, durch die T4SS den Gentransfer bewerkstelligt. Durch unsere Arbeiten innerhalb des Projektes wurden wichtige Erkenntnisse in verschiedenen Bereichen erzielt: eine bisher unbekannte Verknüpfung zwischen Transfer-Genregulation und Gendosis wurde entdeckt. Die genetische und biochemische Charakterisierung jener Enzyme, die für die Verbreitung und den Export von DNA- oder Proteinmolekülen verantwortlich sind, führte zur Publikation neuer Reaktionsmechanismen. Nachdem die bisherigen Kenntnisse der E. coli Biofilmbildung und die Rolle des T4SS praktisch ausnahmslos anhand von "Laborstämmen" erhalten wurden, haben wir umfangreiche Untersuchungen an hunderten bislang nicht charakterisierten, natürlich im Menschen vorkommenden E. coli Isolaten durchgeführt. Dabei konnten wir auch ein Labormodell etablieren, das die Biofilm-stimulierenden Effekte zwischen genetisch unterschiedlichen E. coli Stämmen dokumentiert. Es stellte sich dabei heraus, dass der stärkste Biofilm-stimulierende Effekt durch den T4- mediierten Gentransfer selbst bewirkt wird. Unsere Arbeiten zeigen, dass nicht nur die regulatorischen Prozesse in Biofilmen den T4-mediierten Gentransfer beeinflussen, sondern auch umgekehrt der Gentransfer direkt die Biofilm-Expansion bewirkt. Unsere Ergebnisse können so einen wichtigen Beitrag zur potentiellen Kontrolle des T4 Konjugations-Apparats leisten, um langfristig präventive und therapeutische Maßnahmen zu entwickeln.