Toxin-Antitoxin Systeme als Antiphagen-mechanismen

Phagen sind Viren welche Bakterien befallen. Diese Viren sind weitverbreitet, und man findet sie in verschiedensten Nischen in der Umwelt welche ihre bakterielle Wirte beherbergen, wie zB. im menschlichen und tierischen Verdauungstrakt, im Boden, Meerwasser oder im Klärwasser. Bakterien haben verschiedene Verteidigungsstrategien entwickelt um sich vor Phagen zu schützen. Viele dieser Verteidigungsmechanismen und wie diese die bakterielle Physiologie beeinflussen sind bis jetzt unbekannt: mehrere vor kurzer Zeit veröffentlichte Studien haben gezeigt dass es immer noch viele unbekannte anti-Phagen Verteidigungssysteme gibt welche Bakterien gegen bekannte Phagen schützen können. In diesem Projekt untersuche ich ob Toxin-Antitoxin (TA) Module ein effektiver Verteidigungsmechanismus gegen Phagen sind. TA Module sind genetisch enkodierte Systeme, und man kann sie universell in verschiedenen bakteriellen Spezies finden, inklusive pathogenen Bakterienstämmen. Aktivierung von TA Systemen in Umgebungen mit Stressfaktoren beeinflusst die bakterielle Genexpression und das Zellwachstum, und es wurde gezeigt dass TS Systeme Bakterien beim Überleben helfen. In diesem Projekt werde ich herkömmliche Phagen Methoden und mikrobiologische Methoden mit Einzelzell-Analyse kombinieren. Da TA Module zwischen verschiedenen bakteriellen Stämmen welche zur gleichen Spezies gehören nicht konserviert sind werde ich TA Systeme sowohl in herkömmlichen nicht-pathogenen Escherichia coli Stämmen als auch in pathogenen und symbiotischen E. coli Stämmen untersuchen. Diese Forschungsarbeit wird eine bis jetzt schlecht verstandene Rolle der TA Module für Phagenverteidigung aufklären, und wichtige grundlegende Einblicke in ökologischen Konzepte der Phagen-Bakterien Interaktion geben.

Phagen sind Viren, die gezielt Bakterien angreifen. Bakterien haben unterschiedliche Abwehrstrategien entwickelt, um sich vor viralen Angriffen zu schützen. Die meisten antiviralen Abwehrmechanismen von Bakterien sind jedoch weitgehend unbekannt. In diesem Projekt wurden interdisziplinäre Ansätze - Mikrobiologie, Biochemie und Mikroskopie - verwendet, um Wechselwirkungen zwischen Phagen und bakteriellen genetischen Elementen, den sogenannten Toxin-Antitoxin-Systemen, zu untersuchen. Toxin-Antitoxin-Systeme sind unter Bakterien weit verbreitet und häufig an verschiedenen zellulären Prozessen beteiligt, die die Physiologie und den Lebensstil der Bakterien beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen eine neuartige, signifikante Rolle von Toxin-Antitoxin-Systemen beim bakteriellen Schutz vor Phagen. Escherichia coli Stämme, die spezifische Toxin-Antitoxin-Systeme beherbergen, waren weniger anfällig für Phagenangriffe im Vergleich zu Escherichia coli Stämmen, die diese Systeme nicht beherbergen. Dies ist eine wichtige Erkenntnis im Hinblick auf die Phagentherapie, bei der Phagen zur Behandlung bakterieller Infektionen eingesetzt werden. Ein alarmierender Anstieg der Antibiotikaresistenz weltweit hat die Suche nach Alternativen zu antibiotischen Behandlungen wie der Phagentherapie vorangetrieben. Daher ist es wichtig, die Fähigkeit von Phagen zu bewerten, bakterielle Krankheitserreger, wie pathogene Escherichia coli, abzutöten, sowie zu verstehen, wie es bakteriellen Krankheitserregern gelingt, Phagenangriffen zu entgehen. Letztendlich werden die Ergebnisse dieses Projekts die Grundlage für weitere Anwendungen von Phagen in der biomedizinischen Forschung bilden und unser Wissen darüber erweitern, was allgemein den Erfolg der Phagentherapie bestimmt.