Carbon source driven virulence factors generation by Pseudomonas aeruginosa, implications for application in bioelectrochemical systemsv

  • Kohlenstoffquellen gesteuerte Bildung der Virulenzfaktoren von Pseudomonas aeruginosa; Folgen für Anwendung in bioelektrochemischen Systemen

Bosire, Erick M.; Agler-Rosenbaum, Miriam (Thesis advisor); Blank, Lars Mathias (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Pseudomonas aeruginosa ist ein ubiquitärer Krankheitserreger, dessen Pathogenität auf der Produktion eines breiten Spektrums an Virulenzfaktoren beruht. In polymikrobiellen Infektionen und kompetitiven Umweltnischen ermöglicht die Wirkung der Virulenzfaktoren nicht nur eine Wettbewerbsfähigkeit sondern auch eine Dominanz dieser Spezies. Die Gene, die die Virulenzfaktoren kodieren, werden durch Quorum sensing stark reguliert um eine unnötige Aktivierung zu vermeiden. In biotechnologischen Anwendungen wie zum Beispiel in der Bioremediation und in bioelektrochemischen Systemen (BES) haben einige der Virulenzfaktoren eine Bedeutung gewonnen. Für BES spielen insbesondere Phenazine als Redoxmediatoren und andere Pathogenitätsfaktoren wie zum Beispiel Rhamnolipide und Siderophore eine wichtige Rolle. In BES-Mischkulturen verstoffwechseln Bakterien die zur Verfügung gestellten Substrate und übertragen die dadurch freigesetzten Elektronen zur Anode (Elektronenakzeptor). Der Transfer kann mithilfe von löslichen Redoxmediatoren erfolgen. In diesen Prozessen spielt P. aeruginosa eine wichtige Rolle und zeigt eine enorme Stoffwechselvielseitigkeit, welche je nach verfügbaren Substrat auch die Virulenzfaktorbildung beeinflusst. Ähnlich wie in natürlichen mikrobiellen Gemeinschaften bilden Bakterien auch im BES häufig synergistische aufeinander wirkende Konsortien. In diesen Konsortien führt die Aufnahme der Fermentationsprodukte von P. aeruginosa zu einer erhöhten Bildung der Phenazinmediatoren und somit zu einer erhöhten Elektroaktivität der ganzen Gemeinschaft. Ein Verständnis des Mechanismus der Signalübertragung hinter diesem natürlichen Phänomen kann es ermöglichen definierte Kokulturen für erhöhte Stromproduktionen im BES zu nutzen. Desweiteren wird ein tieferes Verständnis der Nutzung der Phenazine von verschiedenen P. aeruginosa Stämmen unter variierenden Bedingungen und deren Kapazitäten als Redoxmediatoren in BES benötigt. In dieser Dissertation wurde zunächst die Anwendbarkeit der P. aeruginosa Stämme (PA14, KRP1 und PAO1) als Redoxmediatorproduzent in BES erforscht. Desweiteren wurde der Einfluss eines der wichtigsten BES Parameter, des Redoxpotentials, auf die Phenazinphysiologie und die Stromerzeugung von Stamm PA14 untersucht. Um zu untersuchen wie Fermentationsprodukte die Virulenzbildung beeinflussen, wurden Deletionsmutanten des 2,3-Butandiolstoffwechselweges generiert und deren Virulenzbildung bewertet. Bemerkenswerte Unterschiede zwischen den drei Stämmen bezüglich der Produktion von Phenazinen und Rhamnolipiden und deren Tendenz zur Biofilmbildung auf verschiedenen Substraten konnten aufgedeckt werden. Bei einem Vergleich von den verschiedenen Stämmen erwies sich KRP1, ein BES-Isolat, als am Elektroaktivsten auf allen zur Verfügung gestellten Kohlenstoffquellen. Phenazine-1-carboxylic acid (PCA) spielte eine große Rolle als Redoxmediator unter BES Bedingungen. Die gebildete Menge und Verwendung von PCA in der Elektronenübertragung waren abhängig von dem Redoxpotential und dem verwendeten Substrat. Insgesamt wirkt das elektrochemische Potential auf die Elektronenübertragung, das Wachstum und die Biofilmbildung. Diese Ergebnisse ermöglichen es das Potential so einzustellen, dass die volle Elektronenübertragungskapazität genutzt werden kann. Außerdem konnten die Zweikomponentensysteme RcsC/RcsB und PvrS/PvrR als zuständig für Signalaufnahme und Regulierung der 2,3-BD stimulierten Virulenzfaktorbildung identifiziert werden. Mutanten ohne diese Systeme zeigten eine reduzierte Produktion der Phenazine. Die Ergebnisse dieser Dissertation liefern fundamentale Erkenntnisse, die zu einem tieferen Verständnis der Regulierung von Virulenzfaktoren auf der Basis von Kohlenstoffquellen beitragen. Außerdem kann das Verständnis genutzt werden um eine definierte synergistische Kokultur mit P. aeruginosa als der Redoxmediatorhersteller zu entwickeln.

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