Escherichia coli O157:H7 und seine Adaption an verschiedene Wachstumsbedingungen in vitro : Untersuchung des intrazellulären Proteoms und Kohlenhydratmetabolismus

Abstract

The aim of this study was to investigate the linkage of metabolism and pathogenicity of EHEC bacteria under certain environmental conditions in vitro. During the investigations the influence of environmental conditions could be shown on the protein as well as on the gene expression level. In experiments using the culturel media SIEM and SCEM compared to TSB as a reference, differential expression of proteins and genes were shown. For example, decreasing motility and the formation of biofilm-like substances were observed. Furthermore, differences in metabolism and expression of chaperons and stress response systems were detected. After culturing EHEC bacteria in experimental media, increased glucose and pyruvate metabolism, increased amino acid biosynthesis, as well as increased chaperon levels were found, in contrast to decreased expression levels of stress associated proteins. The experimental procedure also affected the presence of pathogenicity factors, like EspP and EspB. Notably, the environmental conditions induced the glutamic acid resistance, providing the EHEC bacteria an unhindered passage through the human gastrointestinal tract, especially the acidic environments like the stomach. Additionally, the sialic acid esterase Z1466 along with shiga toxin, was strongly expressed. This could provide an advantage over the intestinal micro flora, in respect of growth. Effects onto glucose metabolism and amino acid biosynthesis were investigated by isotopoloque profiling experiments, prepared thankworthy by Dr. rer. nat. Wolfgang Eisenreich (Munich). To conclude, stress response and expression of pathogenicity factors could be induced in vitro in the cultural media elected, and without the need of a human host. The experiment also advices the complex regulation of different processes in bacterial cells as response to external factors.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen Metabolismus und Pathogenität enterohämorrhagischer E. coli-Bakterien während des Wachstums unter verschiedenen Umweltbedingungen in vitro untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass diese Umweltbedingungen sowohl das Proteom als auch das Genom beeinflussten. Experimente mit den Darmmilieu simulierenden Kulturmedien SIEM und SCEM zeigten abweichende Expressionen der Proteine und Gene im Vergleich zum Wachstum im Referenzmedium TSB. Unter anderem konnte eine Abnahme der Motilität und die Bildung von biofilmähnlichen Substanzen beobachtet werden. Unterschiede ließen sich aber auch beim Metabolismus und der Expression von Chaperonen und Stresssystemen beobachten. Ein verstärkter Glucosemetabolismus, gesteigerte Aminosäuresynthese, verstärkte Bildung von Chaperonen und die Repression von vielen stressassoziierten Proteinen, sowie die Ausprägung von Pathogenitätsfaktoren ließen sich beim Wachstum in den Kulturmedien nachweisen. Die Bedingungen in den Versuchsmedien führten beispielsweise zu einer erhöhten Säureresistenz, die den EHEC-Bakterien eine unbeschadete Passage des Intestinaltrakts ermöglicht. Aber auch Virulenzfaktoren wie die Proteine EspP und EspB konnten identifiziert werden. Zudem konnte in SCEM die Sialinsäureesterase Z1466 zusammen mit Shiga Toxin stark exprimiert gefunden werden, welche den EHEC-Bakterien im Intestinaltrakt einen Wachstumsvorteil gegenüber der intestinalen Mikroflora liefern kann. Mit Hilfe der durchgeführten Isotopolog-Profiling-Experimente durch den Kooperationspartner Dr. rer. nat. Wolfgang Eisenreich (München), konnte zudem der Einfluss auf den Glucosemetabolismus und auch die Aminosäuresynthese untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Stressantwort und die Expression von Virulenzfaktoren auch außerhalb des humanen Wirts induziert werden kann. Sie zeigen aber auch die Komplexität der Regulation verschiedenster Vorgänge in der bakteriellen Zelle als Reaktion auf äußere Faktoren.