Phänotypische und molekularbiologische Untersuchungen der Interaktionen in gemischten Biofilmen

Abstract

Die Mehrheit der Mikroorganismen lebt in ihrer natürlichen Umgebung in Biofilmen, oberflächenassoziierten Lebensgemeinschaften, die normalerweise von einer extra-zellulären Matrix umgeben sind. Die meisten Biofilme werden nicht von einzelnen sondern mehreren Spezies gebildet, die in den Biofilmen nicht nur miteinander kooperieren, sondern auch um vorhandene Nährstoffe konkurrieren. Die Gram-negative Bakterienspezies Pseudomonas aeruginosa und der polymorphe Pilz Candida albicans sind zwei opportunistisch Pathogene, die oft in Co-Existenz in einem humanen Wirt nachgewiesen werden. Verschiedene Modelle antagonistischen Verhaltens wurden für diese Organismen in gemischten Biofilmen berichtet. Um diese Inter-aktionen zwischen P. aeruginosa und C. albicans genauer zu erforschen, wurde der Einfluss der Quorum sensing Moleküle untersucht. Hierfür wurde ein in vitro Assay etabliert, der eine einfache und schnelle Detektion von Veränderungen in der Aus-prägung von Biofilmen erlaubt. Während sowohl Überstände als auch nur das für die Biofilmbildung von P. aeruginosa wichtige Quorum sensing Molekül N-3-oxo-dodecanoyl-homoserinlacton die Biofilmbildung von C. albicans unterdrücken, wirkt Farnesol, der Pilz-Autoinducer, zwar inhibierend auf die Adhärenz, aber verstärkend auf bereits bestehende bakterielle Biofilme. Zur weiteren Charakteriserung dieser Interaktion wurde das Sekretom einzelner und gemischter Biofilme zu verschiedenen Zeitpunkten mit MALDI-TOF MS/MS analysiert. Insgesamt wurden 247 unter-schiedliche Proteine identifiziert, von denen 170 P. aeruginosa und 77 C. albicans zugeordnet werden konnten. P. aeruginosa sekretierte in Anwesenheit von C. albicans Virulenzfaktoren wie das Exotoxin A sowie Proteine der Stoffwechselwege zur Eisenerfassung wie das Pyochelin-Biosynthese-Protein PchD und den Ferripyoverdin-Rezeptor FpvA. Außerdem wurde in gemischten Biofilmen jedoch nicht in rein bakteriellen Biofilmen das Siderophor Pyoverdin identifiziert, das Eisen mit großer Affinität bindet. Dieses deutet darauf hin, dass P. aeruginosa in Konkurrenz mit C. albicans die Wege zur Eisenaufnahme induziert. Von C. albicans dagegen wird der Metabolismus reprimiert, inklusive der detektierten eisenbindenden Proteine. Diese Ergebnisse zeigen, dass Mikroorganismen nicht nur mit dem Wirt um essentielle Nährstoffe konkurrieren, sondern auch mit der vorhandenen Mikroflora. Die transkriptionellen Veränderungen während der Ausbildung von Biofilmen wurden genutzt, um Reporterstämme in C. albicans, P. aeruginosa und dem nicht-pathogenen E. coli herzustellen, welche die Bildung von Biofilmen anzeigen. Mit Hilfe dieser Stämme können Quorum sensing Moleküle anderer Mikroorganismen detektiert werden. Gemeinsam mit dem in vitro Assay steht mit diesen Stämmen eine Toolbox zur Verfügung, um Biofilme und Einflüsse auf diese zu charakterisieren.

The majority of microorganisms persist in nature as surface-attached communities often surrounded by an extracellular matrix, called biofilms. Most natural biofilms are not formed by a single species but by multiple species. Microorganisms do not only cooperate as in some multi-species biofilms but also compete about available nutrients. The Gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa and the polymorphic fungus Candida albicans are two opportunistic pathogens that are often found coexisting in a human host. Several models of mixed biofilms have been reported for these organisms showing antagonistic behavior. To investigate the interaction of P. aeruginosa and C. albicans in more detail, the influence of the respective quorum sensing molecules was analyzed. Therefore an in vitro assay was established to detect easily and fast modifications of biofilm development. Supernatants as well as the main biofilm regulating quorum sensing molecule N-3-oxo-dodecanoylhomoserine lactone of P. aeruginosa itself repressed biofilm formation of C. albicans, while the fungal autoinducer farnesol inhibited adhesion but induced bacterial biofilms. Additionally the secretome of single and mixed biofilms of both organisms was analyzed at several time points using MALDI-TOF MS/MS. Over all 247 individual proteins were identified, 170 originated from P. aeruginosa and 77 from C. albicans. Most interestingly, P. aeruginosa in the presence of C. albicans secreted virulence factors such as exotoxin A and iron acquisition systems, like the pyochelin biosynthesis protein PchD and the ferripyoverdine receptor FpvA. In addition the high affinity iron-binding siderophore pyoverdine was identified in mixed biofilms but not in bacterial biofilms, indicating that P. aeruginosa increases its capability to sequester iron in competition with C. albicans. In contrast, C. albicans metabolism was significantly reduced, including a reduction in detectable iron acquisition proteins. The results obtained in this study show that microorganisms not only compete with the host for essential nutrients but also strongly with the present microflora in order to gain a competitive advantage. Transcriptional changes during growth as biofilms were used to construct reporter strains in C. albicans, P. aeruginosa, and the non-pathogenic E. coli, which indicate formation of biofilms. These strains can be used to detect the presence of Quorum sensing molecules produced by other microorganisms. Together with the in vitro assay the reporter strains are available as toolbox to characterize biofilms and influences on these.