Podcasts about flagellen

Schwerpunkt: Gerhard Gompper vom Forschungszentrum Jülich über Computersimulationen, mit denen sich das Schwimmverhalten von Bakterien und anderen Mikroschwimmern besser verstehen lässt || Nachrichten: Neptuns seltsames Magnetfeld | Gammablitze, helle Supernovae und Magnetare | Sauberes Wasser durch Kohlenstoffnanoröhrchen || Veranstaltungen: Erlangen | Bremen | Darmstadt

Cronobacter sakazakii ist ein ubiquitäres Gram-negatives Stäbchenbakterium, das neben anderen Lebensmitteln vor allem in Milchpulver vorkommt und insbesondere bei Neonaten zu nekrotisierender Enterocolitis (NEC), Bakteriämie und Meningitis führen kann. Trotz der umfangreichen Forschung der letzten Jahre ist nach wie vor wenig über die Pathogenese von Cronobacter spp. sowie potentielle Virulenzfaktoren bekannt. Um neue Erkenntnisse über Pathogenitätsmechanismen von C. sakazakii zu erhalten, wurden in dieser Arbeit 28 Transposoninsertionsmutanten des klinischen Isolats C. sakazakii ES5 in drei unterschiedlichen Zelllinien auf ihre Fähigkeit an die eukaryotischen Zellen zu adhärieren, in sie einzudringen und in ihnen zu proliferieren, untersucht. Die inaktivierten Gene dieser Mutanten codieren für Proteine des Energiestoffwechsels, der Zellwand und des Biofilms, der Motilität der Bakterien und der Carotinoidbiosynthese. Angelehnt an den in vivo Infektionsweg von C. sakazakii - orale Infektion des Organismus, primäre lokale Infektion im Darm, systemische Infektion über die Invasion in Makrophagen und schließlich das Überschreiten der Blut-Hirn-Schranke und die Infektion des Gehirns - wurden für die Studie Caco-2 Darmepithelzellen, RAW-264.7 Makrophagen-Zellen sowie HBMEC Hirnendothelzellen ausgewählt. Beim Screening aller drei Zelllinien konnte festgestellt werden, dass die Flagellenstruktur betreffende Mutationen bei C. sakazakii ES5 zu fast 100%iger Attenuation der Invasion der Wirtszellen führen. Dies lässt auf die Bedeutung der Flagellen als Pathogenitätsfaktor schließen. Bedingt sein könnte die Attenuierung durch die verminderte Motilität der Bakterien, durch die instabile Interaktion von Flagellen mit den eukaryotischen Zellen selbst oder möglicherweise durch die fehlende Sekretion von Virulenzfaktoren durch das Typ-III-Flagellen-Sekretionssystem. Weiterführende Untersuchungen zu der Motilität der Transposoninsertionsmutanten zeigten, dass die Flagellenfunktion bei C. sakazakii ES5 durch Suppression reguliert zu sein scheint, da die bei C. sakazakii ES5 vorhandene Hemmung des Flagellen-vermittelten Swimmings im Weichagar z.B. unter Zugabe von steril filtriertem Überstand einer C. sakazakii ES5-Kultur wieder aufgehoben werden konnte. Des Weiteren fielen zwei Mutanten mit verminderter Serumresistenz durch reduzierte Virulenz auf, sowie eine Mutante, deren unterbrochenes Gen für einen putativen Reifungsfaktor der 30S-Untereinheit der Ribosomen codiert. Bei diesen drei Mutanten könnten die inaktivierten Gene für potentielle Virulenzfaktoren codieren und sollten näher untersucht werden. Transposonmutanten aus der orthologen Gruppe für Energiestoffwechsel zeigten ebenfalls eine verminderte Invasion. Diese Stämme hatten bei der biochemischen Charakterisierung der Metabolisierung definierter Kohlenstoffquellen bei den Aminosäuren und den Zwischenprodukten des Intermediärstoffwechsels ein vom Wildtyp ES5 abweichendes Metabolisierungsmuster. Die Unterbrechungen im Citratzyklus führten z.B. zur schwächeren Verstoffwechselung von L-Glutamat, dafür wurde L-Asparagin besser als Substrat verwertet. Somit konnte die Fähigkeit zur Anpassung durch Umstellung des Metabolismus bei C. sakazakii ES5 bestätigt werden. Weiterhin ergab der Vergleich des Kohlenstoff-Metabolismus von Cronobacter spp. mit dem von Salmonella enterica sv. Typhimurium einige interessante Unterschiede: C. sakazakii konnte im Gegensatz zu S. Typhimurium eine Vielzahl in der Umwelt vorkommender C-Quellen zur Energiegewinnung nutzen, was darauf schließen lässt, dass das ubiquitäre Bakterium Cronobacter spp. ursprünglich mit Pflanzen assoziiert war. Glucose-6-Phosphat, ein wichtiges Stoffwechselzwischenprodukt, das bei pathogenen Enterobacteriaceae neben Glucose und Mannose intrazellulär als die bevorzugte Kohlenstoffquelle gilt, wurde von C. sakazakii dagegen in vitro nicht metabolisiert. Es bleibt zu klären, ob C. sakazakii in der Lage ist, intrazellulär seinen Stoffwechsel umzustellen und Glucose-6-Phosphat als C-Quelle zu nutzen. C. sakazakii ist ein gelb pigmentiertes Bakterium und synthetisiert die Pigmente über Carotinoid-Biosynthese. In den Infektionsversuchen zeigte sich, dass pigmentlose Mutanten in der Invasion von RAW-264.7-Zellen attenuiert sind. In diesem Zusammenhang konnte auch festgestellt werden, dass bei der de novo Carotinoid-Synthese das CrtY-Protein (Lycopin-ß-Cyclase) die ß-Cyclisierung von Lycopin zu ß-Carotin ausführt. Nach Komplementierung der crtY-Mutante zeigte sich erneut die wildtypische gelbe Pigmentierung der Bakterienkolonien von C. sakazakii ES5crtY::Tn5/pUC19-crtY, anstatt der pinken Koloniefärbung der Mutante. Die Reduzierung der Invasion in HBMEC-Zellen um mehr als 30% konnte durch die Komplementation des crtY-Gens aufgehoben werden: die konstitutive Expression des Gens führte zu einem Invasionswert von 122% des Wildtyps. Im Rahmen dieser Arbeit konnten durch Infektionsexperimente in drei Zelllinien der Infektionsweg von C. sakazakii ES5 nachgestellt, neue potentielle Virulenz-assoziierte Faktoren identifiziert und die Fähigkeit der spezifischen Anpassung an das intrazelluläre Milieu als ein wichtiges Pathogenitätsmerkmal bestätigt werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Proteome von H. salinarum untersucht, die nach zellulären Kompartimenten unterschieden wurden in (1) das Flagellarmotor-Proteom (2) das Cytosolproteom und (3) das Membranproteom. Die Untersuchung des Flagellarmotors erfolgte hauptsächlich auf struktureller Basis mittels Elektronenmikroskopie. Es konnte eine Struktur mit zwei übereinanderliegenden Ringen isoliert werden, die beide an eine Flagelle gebunden sind. Aus weiteren Aufnahmen und Größenkorrelationen wurde ein Modell zum Flagellarmotor entworfen, welches eine Rotation beider Ringe beinhaltet. An diese Doppelringstruktur sind mehrere Flagellen über einen Hook gebunden, was dieses Modell damit vom bakteriellen Flagellarmotor unterscheidet. Bei der Untersuchung des Cytosolproteoms konnten insgesamt 840 Proteine mittels MALDI-MS-Fingerprint identifiziert werden, was einer Identifizierungsrate von 38% des löslichen Proteoms entspricht (Identifizierungsrate aller löslichen Proteine größer 20 kD: 61%). Es wurde eine massenkompatible Silberfärbung optimiert und ein semi-manuelles Verfahren zur in-Gel Spaltung entwickelt, mit dem 800 Proteine/Tag enzymatisch gespalten werden können. Für die anschließende Identifizierung wurde ein Standardprotokoll für die Proben- und Matrixpräparation entwickelt, welches sich im Vergleich zu anderen automatischen Präparationen als zuverlässiger und sensitiver gezeigt hat. Im Verlauf dieser Arbeit wurde von der Bioinformatikgruppe (Dr. F. Pfeiffer) das web-basierte HALOLEX-System entwickelt, welches als Ziel die vollständige Erfassung aller Fakten zu H. salinarum hat. Die generierten Daten (Gele, Proteinidentifizierungen, MALDI-Peaks, MS/MS-Peaks) werden innerhalb dieser Oberfläche zugänglich gemacht und erlauben detaillierte Nachanalysen. Für das Membranproteom wurde gezeigt, dass der etablierte Zellaufschluss mittels Niedrigsalz-Dialyse zu einer erheblichen Kontamination mit löslichen Proteinen führt. Ein Aufschluss unter Hochsalzbedingungen mit anschließender Dichtegradienten-Zentrifugation reinigt die Membran, jedoch dissoziiert die Zellmembran bei anschließender Niedrigsalz-Behandlung in hohem Maße in nicht pelletierbare Fragmente. Eine optimierte Membranaufarbeitung unter ständigen Hochsalzbedingungen, Dichtegradienten-Zentrifugation, Delipidierung und Solubilisierung in einer Detergenzienmischung (Triton X-100/ASB-14) führte bei anschließender zweidimensionaler Trennung (IEF/SDS) zur Identifizierung von fast ausschließlich peripheren Membranproteinen. Mit einer fluoreszenzmarkierten Membranfraktion konnte gezeigt werden, dass der Verlust von integralen Membranproteinen auf einer nahezu quantitativen Präzipitation der Membranproteine an derem pI beruht. Eine pI-unabhängige Strategie wurde mittels BAC/SDS etabliert, die speziell bei H. salinarum zu einer guten Proteinauftrennung führt. Die Identifizierung eines 13 TM-Antiporters (0,22 TM/kD, GRAVY +0,74) als dominantestes Protein dieser Membranfraktion zeigt die Anwendbarkeit dieses Systems. In einem Vergleich von Membranfraktionen aus aerob und phototroph gewachsenen Kulturen konnten so Unterschiede des Expressionsniveaus von Membranproteinen nachgewiesen werden. Aus theoretischen Berechnungen der vorhergesagten Membranproteine zeigte sich weiterhin, dass bei tryptischer Spaltung nicht ausreichend Peptid-Fragmente generiert werden, um mittels MALDI-Fingerprint-Analyse identifiziert zu werden. Diese (H. salinarum spezifische) Problematik kann mittels MS/MS umgangen werden. Bei der Kombination aus 1-D Gel und LC/MS/MS konnten schließlich 114 integrale Membranproteine identifiziert werden, was 20% des integralen Membranproteoms entspricht.

Die Lyme Borreliose ist die häufigste durch Zecken übertragene Infektionskrankheit des Menschen auf der Nordhemisphäre. Der Erreger Borrelia burgdorferi s. l. wird in drei humanpathogene Arten, B. burgdorferi s. s., B. garinii und B. afzelii unterteilt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Struktur von Borrelia afzelii am Beispiel des Stamms PKo, dem Hautisolat eines Patienten, mit Hilfe elektronenmikroskopischer Methoden untersucht. Raster- und transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen an Borrelien des B. afzelii Stammes PKo wurden zur Aufklärung der Ultrastruktur der Borrelienzelle unter in vitro Kultur- Bedingungen durchgeführt. In Abhängigkeit vom Kulturalter zeigen die Borrelien starke strukturelle Veränderungen, die rasterelektronenmikroskopisch gut zu untersuchen sind. Während der log-Phase nimmt die Anzahl der Schraubenwindungen zu und somit auch die Länge der Borrelien. Gegen Ende der log- Phase verlieren die Borrelien ihre typische Schraubengestalt. Im Lichtmikroskop (Dunkelfeld) kann man gleichzeitig einen Verlust der Beweglichkeit beobachten. Allerdings bedeutet der Verlust der Beweglichkeit nicht wie bisher angenommen gleichzeitig den Tod der Borrelien, da sich nach dem Überimpfen in frisches Kulturmedium wieder bewegliche schraubenförmige Borrelien bilden. Die Untersuchungen zur Ultrastruktur der Borrelienzelle wurden an Borrelien aus der log-Phase der Kultur durchgeführt. Die Borrelienzellen sind zu diesem Zeitpunkt 10–20 µm lang und besitzen 3–9 Schraubenwindungen. Ultradünnschnitte zeigen, daß die Borrelien aus einem Protoplasmazylinder bestehen, der von einer 4 nm dünnen Zellmembran begrenzt wird. An ihn schließt sich im Abstand von 5 nm die Zellwand an. Die Borrelienzellen sind von einer äußeren Membran umgeben, die den periplasmatischen Raum umschließt. Diese Membran ist zu einem Tunnel aufgewölbt in dem die Endoflagellen liegen. An jedem Zellende befinden sich 7–9 Flagellenansatzstellen, die in der Längsachse der Borrelienzelle angeordnet sind. Jede der Flagellen inseriert nur an einem Zellende. Im mittleren Bereich der Borrelienzelle kommt es zu einer Überlappung der Flagellen der beiden Zellenden. Die Überlappungsregion ist jedoch nur undeutlich abzugrenzen. Auf Grund dieser Untersuchungen konnte ein detailliertes, maßstabsgetreues Modell einer Borrelienzelle rekonstruiert werden. Ein weiteres Untersuchungsziel war die Aufklärung der Lokalisation wichtiger immundominanter Proteine. Mit Hilfe von Immun-Gold-Markierungen konnte durch hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie gezeigt werden, daß die Proteine p17 (Osp17), p35 (Osp35) und p58 (Osp58) auf der Oberfläche der äußeren Membran der Borrelienzelle lokalisiert sind. Durch die Optimierung der Markierungsmethode konnte das Signal so weit gesteigert werden, daß die gleichmäßige Verteilung dieser Proteine über die gesamte Zelloberfläche dargestellt werden konnte. Auf Grund ihrer Lokalisation auf der Oberfläche der Borrelienzelle kommen diese Proteine grundsätzlich als Vakzinekandidaten in Frage. Die Lokalisation typspezifischer und konservierter Epitope der beiden immunologisch heterogenen Oberflächenproteine OspA und OspC konnte durch Immun-Gold-Markierungen mit Hilfe typspezifischer und breitreaktiver monoklonaler Antikörper nachgewiesen werden. Typspezifische und konservierte Epitope beider Proteine befinden sich auf der Oberfläche der äußeren Membran. Die Lokalisation breitreaktiver Epitope von OspA und OspC auf der Oberfläche der Borrelienzelle läßt den Einsatz dieser Proteine als Impfantigene auch im europäischen Raum erfolgversprechend erscheinen. Des weiteren konnte im Rahmen dieser Arbeit eine Methode entwickelt werden, die es erlaubt kokkoide Morphotypen der Borrelienzelle zu erzeugen. Durch die Inkubation von Borrelien in Aqua dest. gelingt es innerhalb weniger Minuten auf reproduzierbare Weise diese Formvarianten der Borrelien zu erzeugen. Mittels Vitalfärbungen konnte gezeigt werden, daß es sich bei den kokkoiden Morphotypen um lebende Formvarianten der Borrelienzelle handelt. Diese Formvarianten sind nicht kultivierbar. Nach dem Überführen in Kulturmedium sind nach 4–5 Tagen nur noch schraubenförmige Borrelienzellen zu beobachten. Bei den kokkoiden Morphotypen handelt sich um eine kugelförmige Anschwellung der äußeren Membran in der sich der Protoplasmazylinder in engen Windungen aufrollt. Der vom aufgerollten Protoplasmazylinder umgebene Raum ist weitgehend strukturlos. Die Flagellen befinden sich auf der von der äußeren Membran abgewandten Seite es Protoplasmazylinders. Die Rekonstruktion von Serienultradünnschnitten ergab, daß diese kokkoiden Morphotypen jeweils von einer einzelnen Borrelienzelle gebildet werden; Protoplasmazylinder, Zellwand und äußere Membran bleiben intakt. Darüber hinaus konnte am Beispiel von Osp17, Osp35 und OspC gezeigt werden, daß die Oberflächenproteine der schraubenförmigen Borrelienzelle auch bei den kokkoiden Morphotypen auf der Oberfläche lokalisiert sind. Diese drei Proteine sind auch auf den kokkoiden Morphotypen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche verteilt. Allerdings kommt es bei der Bildung der kokkoiden Morphotypen im Vergleich zu den schraubenförmigen Borrelienzellen zu einer deutlichen Reduktion der Oberfläche. Diese Formvarianten besitzen somit nur eine reduzierte Angriffsfläche für die Antikörper des Wirts. Sie stellen also möglicherweise Formen dar, die es den Borrelien ermöglichen dem Abwehrsystem des Wirts auszuweichen. Außerdem wurde die Adhäsion von Borrelien zweier unterschiedlicher Spezies an humane Astrozyten untersucht. Dafür wurde außer dem bereits erwähnten B. afzelii Stamm PKo der B. garinii Stamm PBi eingesetzt. Hierbei handelt es sich um ein Isolat aus dem Liquor eines Patienten. In einem über 24 Std. Zeitdauer durchgeführten Koinkubationsversuch konnte mittels Lichtmikroskopie gezeigt werden, daß beide Stämme an die Astrozyten adhärieren. Borrelien des B. afzelii Stamms PKo adhärieren jedoch insgesamt weit häufiger als solche des B. garinii Stamms PBi. Bei den rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen zeigte sich, daß eine Vielzahl von Borrelien beider Stämme mit den Zellausläufern am Rand der Astrozyten und auf deren Oberfläche in Kontakt treten. Die Fähigkeit der Borrelien an die Astrozyten zu adhärieren spielt möglicherweise eine Rolle beim Übertritt von der Blutbahn ins Gehirn. Eine deutlich Reaktion der Astrozyten auf den Kontakt mit den Borrelien in Form von Oberflächenveränderungen ist nicht zu erkennen. Bei beiden Stämmen können im Rahmen der rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen Borrelien gefunden werden, die in die Zellen eindringen. Dieses Eindringen kann mit Hilfe von Ultradünnschnitten durch die Koinkubationspräparate im TEM bestätigt werden. Hierbei konnten Borrelien sowohl in Vesikeln, als auch frei im Zytoplasma derAstrozyten gefunden werden. Die intrazellulär liegenden Borrelien waren auch nach 24 Std. noch intakt. Es sind keine Degenerationsformen zu erkennen. Durch das Eindringen in die Astrozyten gelingt es den Borrelien möglicherweise über längere Zeit im Wirt zu überdauern.

1. Aus chromosomaler DNA von A. woodii wurde durch heterologe Starteroligonukleotide ein Bereich des Flagellingens mittels PCR amplifiziert. Durch die Verwendung dieses DNA-Fragmentes als Sonde wurden weitere 6 kBp an chromosomaler DNA von A. woodii kloniert, sequenziert und analysiert. 2. Innerhalb dieses klonierten DNA-Abschnittes wurden zwei partielle und fünf vollständige offene Leserahmen lokalisiert, die jeweils über eine Shine-Dalgarno-Sequenz verfügten und größer als 300 Bp waren. Durch Sequenzvergleiche ließ sich das Flagellingen (fliC) identifizieren. Stromaufwärts von fliC wurden offene Leserahmen (flgL, flgK) gefunden, die für die Haken-assoziierten Proteine 1 und 3 des A. woodii-Flagellums kodieren, sowie ein Leserahmen (orfA) dessen abgeleitetes Produkt keine Ähnlichkeit keinem bekannten Protein ähnlich ist. Durch die Expression von orfA in Minizellen von E. coli DK6 wurde aber gezeigt, daß orfA für ein Protein kodiert. Stromabwärts vom Flagellingen wurden keine Flagellengene identifiziert. Die abgeleiteten Produkte, der hier lokalisierten ORFs orfB und orfC zeigten keine Ähnlichkeiten zu in Datenbanken hinterlegten Proteinsequenzen. Am 3'-Ende des klonierten DNA-Abschnittes war ein partieller ORF (orfD) vorhanden, dessen abgeleitete Aminosäuresequenz große Ähnlichkeiten zu dNTP-Zucker modifizierenden Enzymen aufwies. 3. Aus Sphäroplasten von A. woodii wurden durch Solubilisierung, differentielle Zentrifugation und eine CsCl-Dichtegradientenzentrifugation ganze Flagellen inklusive des Haken-Basalkörper- Komplexes gereinigt. Durch die Analyse der Präparation in der SDS-PAGE wurden neben dem Flagellin sechs weitere Proteine als Bestandteil der Flagellen identifiziert. 4. Durch die elektronenmikroskopische Analyse der Haken-Basalkörper-Komplexe der Na + -abhängigen Flagellen von A. woodii konnte gezeigt werden, daß diese aus einem Haken, Stab und einem MS-Ring aufgebaut sind. Unterhalb des MS-Rings waren weitere Strukturen vorhanden. Diese Struktur entspricht den aus den H + -abhängigen Flagellen der Gram-positiven Organismen bekannten Strukturen. Durch die Gefrierbruchmethode konnten in der Cytoplasmamembran von A. woodii im elektronenmikroskopischen Bild Partikelringe nachgewiesen werden. Diese entsprechen in Struktur und Größe den Mot-Komplexen der H + -abhängigen Flagellen aus E. coli.5. Zur Analyse der Untereinheitenzusammensetzung der Na + -F1FO-ATPase von A. woodii wurden Antiseren gegen die Untereinheiten a, b, c1, c2/c3 und β generiert. Hierzu wurden die Untereinheiten a, b, c  und β als MalE-Fusionen in E. coli produziert und gereinigt. Die Untereinheit c2/c3 wurde durch Chloroform:Methanol-Extraktion aus der Cytoplasmamembran von A. woodii angereichert und durch Elektroelution aus einer SDS-PAGE gereinigt. 6. Durch die Analyse der Cytoplasma- und Membranfraktion mit den fünf Antiseren ließen sich die Untereinheiten a, b, c1, c2/c3 und ˜ in der Cytoplasmamembran nachweisen. 7. Die Na + -F1FO-ATPase von A. woodii wurde durch Blue-Native-PAGE aus der Membranfraktion isoliert. Durch die Auftrennung der ATPase in ihre Untereinheiten und deren aminoterminale Sequenzierung wurden die Untereinheiten a, b, c2/c3, α , β γ,δ und ε identifiziert. 8. Durch immunologische Methoden wurde die Untereinheit c1, das in F1FO-ATPasen einmalige 16-kDa-Proteolipid, als Untereinheit der Na + -F1FO-ATPase von A. woodii erkannt. Die Na + -F1FO- ATPase von A. woodii ist die erste F1FO-ATPase mit einem Heterooligomer aus 8- und 16-kDa-Proteolipiden. 9. Die Untereinheit c1 wurde in A. woodii unabhängig vom Substrat und der Na + -Konzentration produziert. Allerdings wurden Hinweise auf eine erhöhte Expression des gesamten atp-Operons in Methanol-gezogenen-Zellen erhalten. 10. Ein Verfahren zur Reinigung der Na + -F1FO-ATPase unter Erhalt ihrer Untereinheitenstruktur wurde entwickelt. Die Na + -F1FO-ATPase wurde aus der Membranfraktion von A. woodii solubilisiert und durch Gelfiltration über Sephacryl S-400 und eine Glycerin-Dichtegradientenzentrifugation gereinigt. Das gereinigte Enzym besaß alle neun Untereinheiten. Die spezifische Aktivität der gereinigten ATPase betrug 7 U mg Protein -1 und seine molekulare Masse 600 kDa.