TY  - THES
A1  - Wermser, Charlotte
T1  - Morphology, regulation and interstrain interactions in a new macrocolony biofilm model of the human pathogen \(Staphylococcus\) \(aureus\)
T1  - Morphologie, Regulation und stammübergreifende Wechselwirkungen in einem neuen Makrokolonie-Biofilmmodell des Humanpathogens \(Staphylococcus\) \(aureus\)
N2  - The role of multicellularity as the predominant microbial lifestyle has been affirmed by studies on the genetic regulation of biofilms and the conditions driving their formation. Biofilms are of prime importance for the pathology of chronic infections of the opportunistic human pathogen Staphylococcus aureus.
The recent development of a macrocolony biofilm model in S. aureus opened new opportunities to study evolution and physiological specialization in biofilm communities in this organism. In the macrocolony biofilm model, bacteria form complex aggregates with a sophisticated spatial organization on the micro- and macroscale. The central positive and negative regulators of this organization in S. aureus are the alternative sigma factor σB and the quorum sensing system Agr, respectively. Nevertheless, nothing is known on additional factors controlling the macrocolony morphogenesis.
In this work, the genome of S. aureus was screened for novel factors that are required for the development of the macrocolony architecture. A central role for basic metabolic pathways was demonstrated in this context as the macrocolony architecture was strongly altered by the disruption of nucleotide and carbohydrate synthesis. Environmental signals further modulate macrocolony morphogenesis as illustrated by the role of an oxygen-sensitive gene regulator, which is required for the formation of complex surface structures. A further application of the macrocolony biofilm model was demonstrated in the study of interstrain interactions. The integrity of macrocolony communities was macroscopically visibly disturbed by competitive interactions between clinical isolates of S. aureus.
The results of this work contribute to the characterization of the macrocolony biofilm model and improve our understanding of developmental processes relevant in staphylococcal infections. The identification of anti-biofilm effects exercised through competitive interactions could lead to the design of novel antimicrobial strategies targeting multicellular bacterial communities.
N2  - Die Rolle von Multizellularität als der vorherrschende mikrobielle Lebensstil wurde durch Studien über die genetische Steuerung von Biofilmen und über Biofilmbildung-fördernde Bedingungen bestätigt. Biofilme sind wichtige Faktoren in der Pathogenese chronischer Infektionen durch das opportunistische Humanpathogen Staphylococcus aureus.
Die kürzlich erfolgte Entwicklung eines Makrokolonie-Biofilmmodells für S. aureus eröffnet neue Möglichkeiten evolutionäre Entwicklungen und die physiologische Spezialisierung in bakteriellen Gemeinschaften zu untersuchen. Im Makrokolonie-Biofilmmodell bilden Bakterien komplexe Aggregate, die sich durch eine hochentwickelte räumliche Organisation auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene auszeichnen. Die positiven und negativen Hauptregulatoren dieser Organisation sind der alternative Sigmafaktor σB sowie das Quorum sensing System Agr. Dennoch sind weitere Faktoren, die die Morphogenese der Makrokolonien steuern, unbekannt.
In dieser Arbeit wurde das Genom von S. aureus im Hinblick auf neue Faktoren, die für die Entwicklung der Makrokoloniearchitektur nötig sind, analysiert. Dabei wurde belegt, dass zentrale Stoffwechselwege eine zentrale Rolle spielen. Störungen der Nukleotid- und Kohlenhydrat-Synthese hatten starke Auswirkungen auf die Makrokoloniearchitektur. Weiterhin wurde anhand eines Sauerstoff-sensitiven Genregulators, der für die Ausbildung von Oberflächenstrukturen nötig ist, demonstriert, wie die Morphogenese der Makrokolonien durch Umweltsignale moduliert wird. Das Makrokolonie-Biofilmmodell fand weitere Anwendung in der Untersuchung von stammübergreifenden Interaktionen. Die Integrität der Makrokolonie-Biofilme wurde durch die Wechselwirkungen in Konkurrenz stehender klinischer Isolate stark herabgesetzt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zur Charakterisierung des Makrokolonie-Biofilmmodells bei und geben Einsicht in Entwicklungsprozesse, die während Staphylokokken-Infektionen ablaufen. Die Beschreibung der negativen Beeinflussung der Biofilme durch bakterielle Wechselwirkungen könnte zur Entwicklung neuer antimikrobieller Strategien, die gezielt gegen multizelluläre bakterielle Gemeinschaften wirksam sind, beitragen.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Biofilm
KW  - MRSA
KW  - macrocolony
KW  - interactions
KW  - biofilm architecture
KW  - Makrokolonie
KW  - Wechselwirkungen
KW  - Biofilmarchitektur
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-165931
ER  - 
TY  - THES
A1  - van Alen, Tessa
T1  - Vergleichende Proteomanalyse von Biofilmen und planktonischen Zellen bei dem humanen Infektionserreger Neisseria meningitidis
T1  - Comparative proteomic analysis of biofilms and planktonic cells of the human pathogen Neisseria meningitidis
N2  - Neisseria meningitidis ist ein humaner Infektionserreger, der Meningitis und Sepsis hervorruft. Das asymptomatische Trägertum im Nasenrachenraum ist entscheidend für die Übertragung des Bakteriums und dessen Interaktion mit dem menschlichen Wirt. Frühere Beobachtungen legen die Annahme nahe, dass Meningo¬kokken im Tonsillengewebe in einem biofilmähnlichen Stadium vorliegen. Daher werden in vitro Biofilme als Modell für das Trägertum verwendet. Expressionsunterschiede zwischen Biofilmen und planktonisch gewachsenen pathogenen Neisserien wurden in wenigen Transkriptomanalysen untersucht, während bisher keine Proteomanalysen durchgeführt wurden. Kartierungen des Proteoms und des Immunoproteoms von Meningokokken liegen allerdings vor. In dieser Studie wurde das Biofilmproteom des unbekapselten N. meningitidis Stammes WUE3671 im Vergleich zum Proteom der planktonisch gewachsenen Bakterien untersucht. Dazu wurde ein auf Silikonschläuchen basierendes Biofilmmodell mit kontinuierlichem Fluss etabliert. Es erfolgte eine Anreicherung bakterieller Biomasse über 48 h, wobei die kolonie-bildenden Einheiten bei 24 h ein Plateau erreichten. Licht- und Elektronen¬mikroskopie belegten die deutliche Zunahme der Biomasse über 48 h und zeigten zudem eine Struktur-ierung des 48 h Biofilms in eine apikale Region mit überwiegend vitalen Meningokokken und eine basale Region mit einer verstärkten Anzahl von Bakterien mit avitalem Erscheinungs-bild. Das Proteom von N. meningitidis Biofilmen, die 24 beziehungsweise 48 h gewachsen waren, wurde mit dem einer exponentiell gewachsenen planktonischen Kultur mit 2D-Gelelektro¬phorese verglichen. Unterschiedlich exprimierte Proteine wurden mit Massen-spektrometrie identifiziert und die Ergebnisse mit Spectral Counting und, wenn möglich, mit spezifischen Antikörpern abgesichert. Die Expression von ungefähr 2 % aller Proteinspots im Biofilm unterschied sich von der in planktonischen Zellen wenigstens um das 2-fache. Es wurden Veränderungen beobachtet, die mit einem Nährstoff- und Sauerstoffmangel sowie einer Zunahme von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) in Verbindung gebracht werden können. Die Expression der Proteine SodC und MntC war im Biofilm deutlich erhöht, was mutmaßlich auf ROS im Biofilm zurückzuführen ist. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass MntC in der Tat essentiell für Biofilmwachstum, nicht aber für planktonisches Wachstum ist. Die Daten zu SodC und MntC legen die Hypothese nahe, dass Meningokokken im Biofilm trainiert werden mit Mediatoren des Immunsystems, wie ROS, umzugehen. Zudem wird NMB0573, ein Lrp-Homolog, als wesentlicher globaler Regulator für metabolische Anpassungen im Biofilm postuliert. Es konnte über die Proteomanalyse hinaus gezeigt werden, dass die Adhäsine Opc und Opa, die unter der Kontrolle von NMB0573 stehen, im Biofilm vermindert exprimiert werden.
N2  - Neisseria meningitidis is a human pathogen that causes meningitis and sepsis. Asymptomatic nasopharyngeal carriage is crucial for the transmission of the bacterium and its interaction with the human host. Previous observations led to the assumption that meningococci persist in the tonsillar tissue in a biofilm-like state. Therefore in vitro biofilms are used to model carriage. Despite successful mapping of the meningococcal proteome and immuno-proteome, no proteome and only a few transcription analyses investigated the differences between biofilm and planktonic growth in pathogenic Neisseria. This study investigated the biofilm proteome of the unencapsulated N. meningitidis strain WUE3671 in comparison to planktonically grown bacteria. A continuous flow biofilm model based on silicone tubes was established. There was an accumulation of bacterial biomass over 48 h with the number of colony forming units reaching a plateau at 24 h. Light- and electron microscopy confirmed biomass accumulation and revealed a structuring of the 48 h biofilm in an apical region with predominantly vital meningococci and a basal region with increased numbers of bacteria with avital appearance. The proteomes of N. meningitidis biofilms grown for 24 or 48 h, respectively and of exponentially grown planktonic cultures were compared by 2D-gelelectrophoresis. Differentially expressed proteins were identified by mass spectrometry. The results were confirmed by spectral counting and, if available, with specific antibodies. Approximately 2 % of all protein spots in the biofilm were at least 2 fold differentially expressed in comparison to planktonic cells. Changes related to nutrient and oxygen limitation and increase of reactive oxygen species (ROS) were observed. There was an increased expression of SodC and MntC in the biofilm that supposedly is caused by ROS in the biofilm. MntC was specifically required for meningococcal biofilm formation, but not for planktonic growth. Data for SodC and MntC suggest that meningococci in the biofilm are trained to cope with mediators of the immune system like ROS. Moreover, NMB0573, an Lrp-like global regulator, was implicated as a possible mediator of metabolic adaption in the biofilm. Independent of the proteome analysis, the NMB0573-dependent adhesions Opc and Opa were in addition shown to be down-regulated within the biofilm.
KW  - Biofilm
KW  - Neisseria meningitidis
KW  - Proteomanalyse
KW  - biofilm
KW  - Neisseria meningitidis
KW  - Proteom analysis
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-52463
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmid, Franz-Gregor
T1  - Einfluss von elektrischen Feldern auf die Effektivität der mechanischen Entfernung von Streptococcus sanguinis Biofilmen
T1  - Influence of directed current on the efficacy of the machanical removal of Streptococcus sanguinis biofilms
N2  - Bakterielle Biofilme auf den Zahnoberflächen sind häufig nur sehr schwer mechanisch zu entfernen. Ziel der Arbeit war es, in einem in vitro Modell zu untersuchen, inwieweit die Effizienz mechanischer Plaqueentfernung durch die zeitgleiche Aufschaltung eines Gleichstroms niedriger Spannung verbessert werden kann. Standardisierte Reintitanplättchen wurden mit Streptococcus sanguinis DSM 20068 beimpft und anschließend 48 h aerob bis zur bakteriellen Konfluenz bebrütet. Anschließend wurden die bewachsenen Plättchen mit einem Scaler, der als Anode in einem geschlossenen Gleichstromkreis wirkte, nach einem definierten räumlichen und zeitlichen Schema bekratzt und nachfolgend mittels physiolog. Kochsalzlösung abgespült. Mit Hilfe der Fluoreszenzphotometrie wurde im Anschluss die noch auf den Plättchen verbliebene Biomasse quantitativ erfasst. Die Datenanalyse enthüllte, dass das Anlegen eines elektrischen Feldes die Reinigungs¬effektivität des Scalers signifikant verbesserte. Bei 6 V angelegter Spannung und 500 mA Stromstärke war eine um 17% stärkere Reduktion des Biofilms im Vergleich zur Kontrolle ohne angelegtem elektrischen Feld zu beobachten. Eine Variation der Spannung im Bereich von 3 V-6 V zeigte keinen signifikanten Einfluss auf die Ablöseeffektivität. Ebenso konnte kein signifikanter Einfluss der Stromflussrichtung festgestellt werden. Die Aufschaltung eines elektrischen Feldes erhöhte in dieser Studie signifikant die Reinigungswirkung mechanischer Biofilmentfernung in vitro. Die zu Grunde liegenden Mechanismen sind jedoch noch unklar und bedürfen weiterer Untersuchungen.
N2  - Bakterielle Biofilme auf den Zahnoberflächen sind häufig nur sehr schwer mechanisch zu entfernen. Ziel der Arbeit war es, in einem in vitro Modell zu untersuchen, inwieweit die Effizienz mechanischer Plaqueentfernung durch die zeitgleiche Aufschaltung eines Gleichstroms niedriger Spannung verbessert werden kann. Standardisierte Reintitanplättchen wurden mit Streptococcus sanguinis DSM 20068 beimpft und anschließend 48 h aerob bis zur bakteriellen Konfluenz bebrütet. Anschließend wurden die bewachsenen Plättchen mit einem Scaler, der als Anode in einem geschlossenen Gleichstromkreis wirkte, nach einem definierten räumlichen und zeitlichen Schema bekratzt und nachfolgend mittels physiolog. Kochsalzlösung abgespült. Mit Hilfe der Fluoreszenzphotometrie wurde im Anschluss die noch auf den Plättchen verbliebene Biomasse quantitativ erfasst. Die Datenanalyse enthüllte, dass das Anlegen eines elektrischen Feldes die Reinigungs¬effektivität des Scalers signifikant verbesserte. Bei 6 V angelegter Spannung und 500 mA Stromstärke war eine um 17% stärkere Reduktion des Biofilms im Vergleich zur Kontrolle ohne angelegtem elektrischen Feld zu beobachten. Eine Variation der Spannung im Bereich von 3 V-6 V zeigte keinen signifikanten Einfluss auf die Ablöseeffektivität. Ebenso konnte kein signifikanter Einfluss der Stromflussrichtung festgestellt werden. Die Aufschaltung eines elektrischen Feldes erhöhte in dieser Studie signifikant die Reinigungswirkung mechanischer Biofilmentfernung in vitro. Die zu Grunde liegenden Mechanismen sind jedoch noch unklar und bedürfen weiterer Untersuchungen.
KW  - Biofilm
KW  - Strom
KW  - elektrisches Feld
KW  - Biofilmentfernung
KW  - Streptococcus sanguinis
KW  - biofilm
KW  - current
KW  - machanical removal
KW  - streptococcus sanguinis
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17399
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TY  - THES
A1  - Richwien, Daniela Maria
T1  - Retrospektive Analyse zur Bewertung der Vena femoralis als Bypassmaterial beim tiefen Protheseninfekt
T1  - Retrospectiv analysis of the deep vein as a bypass material for reconstruction after a deep prostetic vascular graft infection
N2  - Einleitung: Die Protheseninfektion ist in der Gefäßchirurgie eine seltene, aber gefürchtete Komplikation, da sie bis dato immer noch mit einer hohen Mortalität und Morbidität einhergeht. Protheseninfektionen werden in verschiedenen Klassifikationen dargestellt. Die Pathophysiologie des Infektes verläuft über die Aktivierung des Immunsystems und die Fähigkeit der Erreger, sich vor den Angriffen des Immunsystems zu schützen. Dabei ist der häufigste Kontaminationsweg die lokale Kontamination im OP-Gebiet. Der häufigste Erreger stellt der Biofilm bildende Staphylococcus aureus dar. Nach präoperativer Diagnostik erfolgt die vollständige Explantation der infizierten Gefäßprothese mit lokalem radikalem Debridement des Entzündungsgewebes und Wiederherstellung der Perfusion. Für diesen Gefäßersatz stehen verschiedene Materialien zur Verfügung.
Material und Methoden: Ziel dieser Arbeit ist es, retrospektiv die Therapie der tiefen Protheseninfektion mittels autologer In-Situ-Rekonstruktion durch die V. femoralis superficialis im Zeitraum von September 2003 bis Juni 2010 an der Universitätsklinik in Würzburg zu analysieren. Es wurden insgesamt 24 Patienten behandelt. Es erfolgte eine detaillierte Aufarbeitung der Krankengeschichte, der mikrobiologischen Befunde, sowie der Operationsberichte und Folgeeingriffe. Des Weiteren wurde eine Kontrolluntersuchung im Rahmen der gefäßchirurgischen Sprechstunde durchgeführt.
Ergebnisse: 20 Männer und vier Frauen wurden aufgrund einer Protheseninfektion (6x Frühinfekt, 14x Spätinfekt, 2x persistierender Infekt) operiert, nachdem ihnen eine aortoiliacale, aortofemorale oder iliacofemorale Kunststoffprothese zur Behandlung einer pAVK, eines Aneurysmas, oder aufgrund beider Entitäten implantiert worden war. Am häufigsten zeigte sich als klinisches Erstsymptom eine inguinale Wundheilungsstörung. Lymphfisteln und Infektblutungen belegten Platz zwei und drei. Jedes Mal wurde die V. femoralis superficialis (11x beidseits, 13x einseitig) entnommen, in acht Fällen kombiniert mit der V. saphena magna. 
23x erfolgte die Rekonstruktion der Perfusion in-situ, lediglich einmal als extraanatomischer Obturator-Bypass. Bei 19 Patienten (79,2%) konnte ein Pathogen nachgewiesen werden, bei fünf Patienten (20,8%) nicht. In 54,2% der Fälle lag eine Monoinfektion vor, bei 12,5% eine Mischinfektionen. Der häufigste Erreger mit 25% Anteil war Staphylococcus aureus, zweimal gelang der Nachweis eines MRSA. Insgesamt kam es bei sieben Patienten zum Nachweis eines gram-positiven Pathogens, bei sechs Patienten eines gram-negativen Pathogens, was der allgemeinen Entwicklung entspricht.
Bei elf Patienten (45,8%) kam es zu einer postoperativen inguinalen Wundheilungsstörung. Deshalb erfolgten auch die meisten Folgeeingriffe mit chirurgischer Wundtoilette, Vakuum-Okklusiv-Verband, Sekundärnaht oder Meshgraft-Deckung als definitiven Wundverschluss. Fünf Patienten (20,8%) erlitten eine periphere Ischämie bzw. einen Bypass-Verschluss. Davon wurden zwei Patienten auf Höhe des Oberschenkels amputiert. Ein Viertel der Patienten verstarb noch während des stationären Aufenthaltes.
Das Gesamtüberleben am untersuchten Patientengut betrug bei Durchführung dieser Doktorarbeit die Zahl zehn. 
Sieben Patienten stellten sich zur Kontrolluntersuchung vor, dreien war dies nur schriftlich möglich. Zweimal erfolgte poststationär eine Ischämie-bedingte Majoramputation. Alle Patienten waren infektfrei. Ein Patient erhielt eine PTA bei Stenose der A. femoralis superficialis rechts nach autologem aortobifemoralem Ersatz. Nach Venenentnahme besteht jedoch bei fünf von sieben Patienten ein mildes bis mittelschweres Phlebödem (1-2cm Umfangszunahme am Knöchel) nach Porter. Zwei Patienten erhalten bis dato eine Lymphdrainage.
Zusammenfassung: Die Protheseninfektion ist eine technische Herausforderung, insbesondere wenn die Aorta mitbetroffen ist. Die V. femoralis superficialis erscheint aktuell die erste Wahl bei Notwendigkeit eines großlumigen Gefäßersatzes zu sein. Sie garantiert bis dato eine Infektfreiheit und eine nahezu hundertprozentige Offenheitsrate. Jedoch ist eine präoperative Patientenselektion aufgrund der generell hohen Mortalität und Morbidität durchzuführen und es sind alle Alternativen zu prüfen, um im Individualfall die bestmögliche Lösung für Patient und behandelnden Arzt zu finden. Denn zur Behandlung einer Protheseninfektion gibt es zurzeit noch keinen Goldstandard. Ob es bei dieser komplexen Art der Erkrankung jedoch jemals EINEN Goldstandard geben wird, ist zu bezweifeln. Weitere Diskussionen und Entwicklungen werden und müssen folgen.
N2  - Introduction: The prostectic vascular graft infection is a rare, but dreaded complication, connected to a high rate of mortality and morbidity. The prostetic vascular graft infections are divided in different classifications. The pathophysiology depends on the activation of the immun system and the defence strategies of the pathogen to hide from it. The most common way of contamination is intraoperativ. The most common pathogen is Staphylococcus aureus, which is able to built a biofilm. After the whole praeoperativ diagnostic the infected prostetic vascular graft is explanted including a radicale surgigal debridement of the surrounded tissue and the Perfusion is reconstructed again. There are different materials for this vascular Bypass.
Materials and Methods: The aim of this study was to analyse retrospectively the therapy of the deep prostetic vascular graft infection with the autologes deep vein in-situ-reconstruction from septembre 2003 to june 2010 at the surgical departement I at the University Hospital in Würzburg. 24 patients has been treated. The patients were analysed by their history of sickness, microbiology, typs of operation and the following revisions. There was a follow-up during the vascular consultation hour.
Results: 20 men and 4 women were treated because of a deep prostetic vascular graft infection (6x early infect, 14 late infect, 2 persistend infect) after having a surgery with aortoiliacal, aortofemoral or iliacofemoral Bypass in case of peripheral vascular occlusive desease or in case of an abdominal aneurysm or because of both. The most common clinic Symptome in case of infection was a inguinal wound with secretion. Second and third place has been a lymphozyste oder a bleeding. Every time the deep vein namened V. femoralis superficialis was harvested, 8 times with the V. saphena magna. The reconstruction for Perfusion was 23 times an in-situ- reconstruction, only one time an extra-anatomic Obuturator-Bypass. There was a positiv microbiolgy in 19 cases (79,2%), in 5 cases a negative (20,8%). In 54,2 % there was a mono-infection, in 12,5 % a mixed one. The most common pathogen was Staphylococcus aureus, 2 times with MRSA. 7 patients had a gram positive pathogen, and 7 a gram negative, which is simillar to the General developement of microbiolocigal findings. 11 patients had again a bad wound healing with the most following operations with wound debridement, vacuum-occlusive-therapy, secondary wound closure or meshgraft. 5 Patient had a peripheral ischaemie. 2 Patients had to underwent a Major Amputation. 25% of the patients died during the Hospital stay. There were 10 patients for the follow-up, 3 only by questionnaires and phone calls. There were two more Major amputations postoperative. All patients were free of infection. Only one Patient had to underwent a percutane angioplastie of Stenosis of the anastomosis. After vein harvesting there is a mild to severe lymphedema in 5 of 7 patients, two patients still need Manual lymphmassage.
Conclusion: The prostectic vascular graft infection is a technical challenge especially when the distal Aorta is infected, too. The deep vein V. femoralis superficialis is at the Moment the first choice for a Bypass material with a big Diameter. Nearly 100% freedom of infect and patency are garanted. But a stricte praeoperative selection of the patients is necessary because of the high rates of mortality and morbidity. Every alternative method should be included to get the best Treatment in every individual case. Unfortunatelly there is no Goldstandard for the diagnostic and therapy for the deep prostetic vascular graft infection. More Discussion and Research must follow to develope such a Standard.
KW  - Gefäßprothese
KW  - In-situ-Venenbypass
KW  - Gefäßprotheseninfektion
KW  - Biofilm
KW  - Autologer In-Situ-Venenbypass
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-93318
ER  - 
TY  - THES
A1  - Reidl, Sebastian
T1  - Funktionale Charakterisierung an der Biofilmbildung beteiligter Faktoren pathogener und kommensaler Escherichia coli
T1  - Functional characterization of biofilm-associated traits of pathogenic and commensal Escherichia coli
N2  - Multizelluläre Gemeinschaften in Form bakterieller Biofilme stellen aus medizinischer Sicht ein großes klinisches Problem dar. Häufig lassen sich chronische oder rezidivierende Erkrankungen aber auch nosokomiale Infektionen auf die multizelluläre Lebensweise von humanpathogenen Erregern zurückführen. Sowohl fakultativ als auch obligat pathogene Escherichia coli-Stämme besitzen eine Vielzahl unterschiedlicher Faktoren, die die Biofilmbildung beeinflussen. Daran beteiligt sind unter anderem Flagellen, extrazelluläre polymere Substanzen, Adhäsine oder Oberflächen-assoziierte Proteine wie Autotransporter. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die funktionale Charakterisierung des Proteins Antigen 43 (Ag43). Aufgrund seiner Autoaggregation-vermittelnden Eigenschaft trägt Ag43 ebenfalls zur Mikrokoloniebildung und Biofilmreifung bei. Antigen 43 ist ein Autotransporterprotein, welches innerhalb der Bakterienspezies Escherichia coli weit verbreitet ist. Interessanterweise besitzen viele E. coli-Isolate gleich mehrere identische oder ähnliche Kopien von agn43, die in der Regel von variablen Genombereichen (genomische Inseln, Plasmide) kodiert werden. Am Beispiel der Antigen 43-Varianten des uropathogenen Escherichia coli (UPEC)-Stammes 536 (O6:K15:H31), des kommensalen E. coli Isolats Nissle 1917 (O6:K5:H1) sowie des E. coli K-12-Laborstammes MG1655 (OR:H48:K-) ist die Bedeutung des Autotransporterproteins im Rahmen dieser Arbeit näher untersucht worden. Hierfür wurden die verschiedenen agn43-Allele in ein geeignetes Vektorsystem kloniert und im Adhäsin-freien Escherichia coli K-12-Stamm MG1655 ΔfimΔflu exprimiert. Da Antigen 43 in Wildtypstämmen posttranslational glykosyliert vorliegt, sind die Experimente zusätzlich unter Einfluß der heterologen, AIDA I-spezifischen Heptosyltransferase Aah (‘Autotransporter Adhesin Heptosyltransferase’) durchgeführt worden. Anhand von Bindungsstudien (intermolekulare Autoaggregation, Zelladhäsionstests) wurde gezeigt, daß sich einzelne Ag43-Varianten teilweise in ihren Eigenschaften unterscheiden. Im direkten Vergleich mit AIDA-I (‘Adhesin Involved in Diffuse Adherence’) enteropathogener Escherichia coli (EPEC) konnte für Ag43 nur eine Funktion als schwaches Adhäsin nachgewiesen werden. Die heterologe O-Glykosylierung beeinflußte die Funktionalität des Antigen 43 in unterschiedlichem Ausmaß. Je nach Autotransporter-Variante führte die Heptosylierung entweder zu signifikant reduzierten Affinitäten, oder sie hatte keinen Effekt auf die Bindungskapazität des Ag43. Antigen 43 weist zudem strukturelle Homologien zu vergleichbaren Domänen anderer Autotransporter auf. Für viele dieser Proteine konnte bereits eine adhäsive oder invasive Funktion nachgewiesen werden. Eine mögliche Interaktion von Ag43 mit eukaryontischen Rezeptoren ist hingegen noch nicht bzw. nur unvollständig untersucht worden. In Overlay assays und ELISAs wurde für Antigen 43 hier erstmals die spezifische Bindung an die extrazellulären Matrixkomponenten Kollagen und Laminin gezeigt. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, daß das Escherichia coli spezifische Autotransporterprotein Antigen 43 nicht nur an der bakteriellen Biofilmbildung, sondern auch an der Besiedlung epithelialer Gewebe beteiligt sein kann. Seine Expression verschafft Bakterien einen Kolonisationsvorteil, der mit erhöhter Fitneß einhergeht. Die Aah-vermittelte O-Glykosylierung scheint für die Funktionalität von Ag43 nicht zwingend erforderlich zu sein. Des weiteren ist im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Testsystem entwickelt worden, das auf der Basis von Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungen (FISH) die Differenzierung von verschiedenen (uro-)pathogenen Mikroorganismen ermöglicht. Das etablierte Protokoll eignet sich nicht nur für die diagnostische Erregeridentifizierung, sondern auch in Abhängigkeit des Probenmaterials zur Untersuchung von (Multispezies-)Biofilmen.
N2  - Bacteria living in multicellular communities, i.e. biofilms, have evolved into a major health problem. Most chronic or recurrent diseases including nosocomial infections can be traced back to the multicellular lifestyle of pathogenic agents. Both facultative and obligate pathogenic strains of Escherichia coli express a multitude of diverse factors contributing to biofilm formation like flagella, extracellular polymeric substances, adhesins, or surface-exposed proteins, e.g. autotransporters. This work presents the functional characterization of the surface-associated protein antigen 43 (Ag43). Due to its autoaggregating phenotype, Ag43 is also involved in the formation of microcolonies and biofilms. Antigen 43 represents an autotransporter protein frequently expressed by all Escherichia coli pathotypes. Interestingly, many E. coli isolates encode multiple identical or orthologous copies of agn43 which are usually associated with mobile genetic elements (genomic islands, plasmids). Here, the antigen 43 variants of uropathogenic Escherichia coli (UPEC) strain 536 (O6:K15:H31), commensal isolate E. coli Nissle 1917 (O6:K5:H1), and E. coli K-12 strain MG1655 (OR:H48:K-) have been analyzed. For this purpose, the different agn43-alleles were cloned into a capable vector system and subsequently expressed in Escherichia coli K-12 strain MG1655 ΔfimΔflu lacking the genes encoding type 1-fimbrial adhesins (fim) and antigen 43 (flu). Due to the occurrence of posttranslational glycosylation of Ag43 in wild type strains, experiments were additionally carried out upon co-expression of the heterologous AIDA-I-specific heptosyl transferase Aah (Autotransporter Adhesin Heptosyltransferase). On the basis of binding studies (intermolecular autoaggregation, adhesion to eukaryotic cells) individual properties could be detected for each Ag43-variant. However, compared to AIDA-I (Adhesin Involved in Diffuse Adherence) of enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) strains, antigen 43 was shown to act as a weak adhesin. Additionally, O-glycosylation partly influenced protein functions. Depending on the variant tested, posttranslational modification by Aah either resulted in significantly reduced affinities or had no effect on the binding capacity of Ag43. Furthermore, antigen 43 exhibits structural homologies compared to certain domains of related autotransporters. For many of these proteins, an adhesion- or invasion-mediating function could be demonstrated. To date, the interaction of Ag43 with a putative eukaryotic receptor has not been determined, yet. Here, it is shown for the first time that antigen 43 specifically binds to components of the extracellular matrix. Overlay assays and ELISAs identified collagen and laminin as epithelial receptors for Ag43. Taken together, the results obtained in this study confirm the functional role of antigen 43 in biofilm formation as well as its effect during bacterial colonization of epithelial tissues. Expression of the Escherichia coli-specific autotransporter protein is directly correlated to the improved fitness of bacteria infecting the human host. Aah-mediated O-glycosylation seems not to be strictly required for the function of Ag43. The second aim of this work was the design and development of a test system which can be used for the differentiation of (uro-)pathogenic microorganisms in biofilms. For this purpose, the FISH (Fluorescence-in-situ-Hybridization)-technique has been optimized for diagnostic applications. Depending on the specimen, the protocol can also be adapted to the analysis of (multispecies) biofilms.
KW  - Escherichia coli
KW  - Biofilm
KW  - Adhäsine
KW  - Glykosylierung
KW  - Extrazelluläre Matrix
KW  - Kollagen
KW  - Laminin
KW  - Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung
KW  - Katheter
KW  - Autotransporterprotein
KW  - Fitneßfaktor
KW  - autotransporter protein
KW  - fitness factor
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-35684
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TY  - THES
A1  - Rachid, Shwan
T1  - Molecular investigation of the influence of environmental factors and subinhibitory antibiotic concentrations on the biofilm formation in Staphylococcus epidermidis
T1  - Molekulare Untersuchungen zum Einfluß von Umweltfaktoren und subinhibitorischen Antibiotikakonzentrationen auf die Biofilmbildung in Staphylococcus epidermidis
N2  - Biofilm production is an important step in the pathogenesis of S. epidermidis polymer-associated infections and depends on the expression of the icaADBC operon leading to the synthesis of a polysaccharide intercellular adhesin (PIA). The PIA represents a sugar polymer consisting of ß-1,6 linked N-acetyl glucosaminoglycans and mediates the intercellular adherence of the bacteria to each other and the accumulation of a multilayered biofilm. Epidemiological and experimental studies strongly suggest that PIA-production and subsequently biofilm formation contributes significantly to the virulence of specific S. epidermidis strains. This work aimed on the investigation of external factors regulating the ica expression in S. epidermidis. For this purpose, a reporter gene fusion between the ica promoter and the beta-galactosidase gene lacZ from E. coli was constructed and integrated into the chromosome of an ica positive S. epidermidis clinical isolate. The reporter gene fusion was used to investigate the influence of external factors and of sub-MICs of different antibiotics on the ica expression. It was shown that the S. epidermidis biofilm formation is growth phase dependent with a maximum expression in the late logarithmic and early stationary growth phase. The optimal expression was recorded at 42 °C at a neutral pH ranging from 7.0 to 7.5. The glucose content of the medium was found to be essential for biofilm formation, since concentrations of 1.5 to 2 per cent glucose induced the ica expression. In addition, external stress factors as high osmolarity (mediated by 3 to 5 per cent sodium chloride), and sub-lethal concentrations of detergents, ethanol, hydrogene peroxide, and urea significantly enhanced the biofilm production. Subinhibitory concentrations of tetracyline, the semisynthetic streptogramin quinupristin/dalfopristin and the streptogramin growth promoter virginiamycin were found to enhance the ica expression 8 to 11-fold, respectively, whereas penicillin, oxacillin, gentamicin, clindamycin, vancomycin, teicoplanin, ofloxacin, and chloramphenicol had no effects. A weak induction was recorded for sub-MICs of erythromycin. Both quinupristin/ dalfopristin and tetracyline exhibited a strong postexposure effect on the S. epidermidis ica expression, respectively, even when the substances were immediately removed from the growth medium. The results were confirmed by Northern blot analysis of the ica transcription and quantitative analysis of biofilm formation in a colorimetric assay. Expression of the icaprom::lacZ reporter gene plasmid in Bacillus subtilis and S. epidermidis revealed that the ica induction by sub-MICs of streptogramins and tetracycline might depend on unidentified regulatory elements which are specific for the staphylococcal cell. In contrast, the activation by external stress signals seems to be mediated by factors which are present both in Staphylococci and in Bacillus subtilis. Construction and analysis of an agr-mutant in a biofilm-forming S. epidermidis strain excluded the possibility that the Agr-quorum-sensing system significantly contributes to the ica expression in the stationary growth phase. However, clear evidence was provided that in S. aureus the ica transcription depends on the expression of the alternative transcription factor sigmaB, which represents a global regulator of the stress response in S. aureus as well as in B. subtilis. For this purpose, a sigB knockout mutant had been constructed in a biofilm-forming S. aureus. This mutant showed a markedly decrease of the ica transcription and biofilm-production, whereas a complement strain carrying the sigB gene on an expression vector completely restored the biofilm-forming phenotype of the S. aureus wild type. Southern blot analysis indicated that the the sigB gene is also present in S. epidermidis and Northern analyses of the sigB and the ica transcription revealed that both genes are activated under identical conditions (i. e. in the stationary growth phase and by external stress factors) suggesting a similar regulatory pathway as in S. aureus. However, since neither in S. aureus nor in S. epidermidis the ica promoter has obvious similiarities to known SigB-dependent promotoer sequences it is tempting to speculate that the ica activation is not directely mediated by SigB, but might be indirectely controlled by other SigB-dependent regulatory elements which remain to be elucidated.
N2  - Die Ausbildung von Biofilmen ist ein wichtiger Schritt in der Pathogenense von Polymer-assoziierten Infektionen durch S. epidermidis. Sie hängt von der Expression des icaADBC-Operons ab, das die Syntheseenzyme für die Produktion eines extrazellulären Polysaccharids (PIA) kodiert. PIA steht für Polysaccharid-Interzelluläres-Adhäsin. Diese Substanz stellt ein beta-1,6 verknüpftes N-Acetyl-Glukosaminoglycan dar, das den Bakterien extrazellulär aufliegt, die Adhärenz der Zellen untereinander vermittelt und so die Akkumulation eines Biofilms wesentlich fördert. Epidemiologische und experimentelle Studien haben gezeigt, daß die PIA-Produktion und damit die Biofilmbildung wesentlich zur Virulenz bestimmter S. epidermidis Stämme beiträgt. Die vorliegende Arbeit zielte auf die Untersuchung äußerer Faktoren ab, die die PIA-Expression in S. epidermidis regulieren. Dazu wurde eine Genfusion zwischen dem ica-Promotor und dem beta-Galaktosidasegen aus E. coli hergestellt und stabil in das Chromosom eines ica-positiven S. epidermidis Klinikisolates integriert. Das Reportergenkonstrukt wurde benutzt, um den Einfluß verschiedener Umweltfaktoren und die Wirkung subinhibitorischer Antibiotikadosen auf die Expression des ica-Operons zu bestimmen. Es konnte gezeigt werden, daß die ica-Expression wachstumsphasenabhängig ist und ihr Maximum in der späten logarhitmischen und frühen stationären Phase erreicht. Die optimale Expressionstemperatur liegt bei 42 °C und einem neutralen pH-Wert in einem Bereich zwischen 7,0 und 7,5. Die Biofilmbildung hängt stark vom Glukosegehalt des Wachstumsmediums ab. So wurde gezeigt, daß 1,5 bis 2 Prozent im Kulturmedium die ica-Expression in der logarhitmischen Phase induzieren. Externe Stressfaktoren wie erhöhte Osmolarität durch 3 bis 5 Prozent NaCl oder sublethale Dosen von Detergenzien, Äthanol, Wasserstoffperoxid und Harnstoff begünstigen ebenfalls die ica-Expression und damit die Biofilmbildung. Subinhibitorische Dosen von Tetrazyklin, des Streptogramingemisches Quinupristin/Dalfopristin (Synercid?) sowie des Streptogramin-Leistungsförderers Virginiamycin führten zu einer Erhöhung der ica-Expression um das 8 bis 11-fache. Eine kurzzeitige Exposition der Bakterien zu hohen Konzentrationen dieser Antibiotika führte ebenfalls zu einer langanhaltenden Induktion der Biofilmexpression, auch wenn die Stoffe aus dem Wachstumsmedium sofort wieder entfernt worden waren. Andere Antibiotika wie Penicillin, Oxacillin, Gentamicin, Clindamycin, Vancomycin, Teicoplanin und Chloramphenicol zeigten keinerlei Effekt auf die ica-Expression. Eine schwache Induktion wurde dagegen für Erythromycin verzeichnet. Die Daten wurden durch Northernblotanalysen der ica–Transkription und durch einen quantitativen Biofilmassay in Polystyrol-Mikrotiterplatten bestätigt. Die Propagierung des Reportergenkonstruktes als Plasmid sowohl in einem B. subtili- Hintergrund als auch in einem ica-negativen S. epidermidis-Stamm ergab, daß die Induktion des ica-Operons durch niedrige Tetrazyklin- oder Streptograminkonzentrationen möglicherweise von spezifischen Regulatoren abhängt, die nur in Staphylokokken vorkommen. Im Gegensatz dazu ist die Induktion durch externe Sressfaktoren sowohl in B. subtilis als auch in S. epidermidis möglich. Durch die Herstellung und Untersuchung einer agr-Mutante in einem Biofilm-bildenden S. epidermidis-Stamm konnte ausgeschlossen werden, daß das Agr-Quorum-Sensing-System einen wesentlichen Einfluß auf die ica-Expression in der stationären Phase ausübt. Dagegen wurde klar gezeigt, daß die ica-Transkription in S. aureus von der Expression des alternativen Transkriptionsfaktors SigmaB abhängt, der einen globalen Regulator für die Stressantwort in Staphylokokken und in B. subtilis darstellt. Zu diesem Zweck war eine sigB-Deletionsmutante in einem Biofilm-bildenden S. aureus-Stamm hergestellt worden. Diese Mutante zeigte eine deutlich verminderte ica Transkription und Biofilmbildung. Dagegen wies die Komplementante, die das sigB-Gen auf einem Expressionsvektor trug, wieder alle Merkmale des Biofilm-bildenden S. aureus Wildtyps auf. Southernblot-Analysen zeigten, daß das sigB-Gen auch in S. epidermidis nachweisbar ist und unter denselben Bedingungen (d. h. in der stationären Phase und durch externen Stress) wie das ica Gen transkribiert wird. Das läßt vermuten, daß die Regulation des ica-Operons in S. epidermidis ähnlich abläuft wie in S. aureus und durch SigB beeinflußt wird. Da jedoch weder in S. aureus noch in S. epidermidis der ica-Promotor Ähnlichkeiten zu den bekannten SigB-abhängigen Promotor-Strukturen aufweist, ist anzunehemen, daß dieses Operon nicht direkt durch diesen alternativen Transkriptionsfaktor kontrolliert wird. Wahrscheinlich existieren noch weitere regulatorische Elemente, die hieran beteiligt sind und die noch zu identifizieren sind.
KW  - Staphylococcus epidermidis
KW  - Biofilm
KW  - Umweltfaktor
KW  - Antibiotikum
KW  - Staphylococcus
KW  - epidermidis
KW  - Biofilm
KW  - Staphylococcus
KW  - epidermidis
KW  - Biofilm
Y1  - 2000
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-1882
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mordhorst, Ines Louise
T1  - Phylogenetische und funktionelle Analysen zur Kapsel O-Acetyltransferase NeuO von Escherichia coli K1
T1  - Phylogenetic and functional analysis on the capsule O-acetyltransferase NeuO of Escherichia coli K1
N2  - Escherichia coli ist ein Kommensale des menschlichen und tierischen Gastrointestinaltraktes. Einige E. coli-Stämme sind in der Lage, extraintestinale Erkrankungen beim Menschen wie Harnwegsinfekte, Neugeborenen-Meningitis und Sepsis, sowie beim Tier aviäre Coliseptikämien, hervorzurufen. Ein wichtiger Virulenzfaktor des Bakteriums ist dabei die aus α-2,8-verknüpften Sialinsäuremonomeren aufgebaute K1-Kapsel, die phasenvariabel mit einer hohen Frequenz O-acetyliert werden kann. Im Jahr 2005 konnte gezeigt werden, dass es sich bei dem für die O-Acetylierung verantwortlichen Enzym um die O-Acetyltransferase NeuO handelt, die von dem K1-spezifischen Prophagen CUS-3 codiert wird. Die Verteilung von neuO in der E. coli K1-Population sowie die funktionelle Relevanz der K1-Kapsel O-Acetylierung für das Bakterium waren zu Beginn der vorliegenden Arbeit weitestgehend unklar. Eine E. coli K1-Stammsammlung mit 183 Isolaten wurde aufgebaut. Die E. coli K1-Isolate stammten sowohl aus Stuhlproben gesunder Freiwilliger, humanen Harnwegsinfekten, humanen invasiven Erkrankungen (Neugeborenen-Meningitis und Bakteriämie) und aus an Coliseptikämie erkrankten Vögeln. Die Isolate der E. coli K1-Stammsammlung wurden mit der Multilokus-Sequenztypisierung (MLST) typisiert. Es konnten 39 Sequenztypen (ST) sowie fünf Sequenztyp-Komplexe (STC) identifiziert werden. Bei dem mit Abstand häufigsten STC handelte es sich um den STC95, dem 80 Stämme (44%) angehörten. Insgesamt 103 der 183 E. coli K1-Stämme waren neuO-positiv (56%). Das Gen wurde in 78 (98%) der STC95-Isolate, aber nur in 25 (24%) der 103 nicht-STC95-Stämme gefunden. NeuO war also mit dem STC95 assoziiert. Über Sequenzanalysen des CUS-3-Prophagen konnten CUS-3-Genotypen bestimmt werden. Die Gruppierung der CUS-3-Genotypen und der E. coli K1-ST sowie der anschließende Vergleich beider Gruppierungen miteinander offenbarte eine Segregation der Prophagen-Genotypen entsprechend der ST. Daher legen die in dieser Arbeit ermittelten Ergebnisse eine Koevolution des Phagen mit seinem Wirt nahe. Einige humane und aviäre E. coli K1-Isolate waren weder auf Basis der MLST bzw. der CUS-3-Genotypisierung noch anhand des Vorhandenseins verschiedener, mit extraintestinal-pathogenen E. coli-assoziierter Gene voneinander unterscheidbar, was die Hypothese einer zoonotischen Transmission dieser Stämme unterstützt. In den in dieser Arbeit durchgeführten funktionellen Analysen konnte weder ein Effekt der NeuO-vermittelten E. coli K1-Kapsel O-Acetylierung auf die Fähigkeit der Bakterien an humane mikrovaskuläre Gehirnendothelzellen zu adhärieren oder in diese zu invadieren, noch auf die in vivo-Virulenz der Bakterien im Hühnermodell beobachtet werden. Die K1-Kapsel O-Acetylierung verringerte die in vivo-Kolonisierung des Hühner-Gastrointestinaltraktes und die in vitro-Biofilmbildung durch das Bakterium, wohingegen sie die Austrocknungsresistenz von E. coli K1 erhöhte. Möglicherweise dient die phasenvariable neuO-Expression und damit die E. coli K1-Kapsel O-Acetylierung der Anpassung des Bakteriums an wechselnde Umweltbedingungen.
N2  - Escherichia coli is a commensal of the human and animal intestinal tract. Some strains have the ability to cause extraintestinal disease in humans such as urinary tract infections, neonatal meningitis and septicemia, but also animal infection such as avian colisepticemia. A major virulence factor of the bacterium is the K1 capsule composed of α-2,8-linked sialic acid monomers, which can be phase variably O-acetylated at a high frequency. In 2005, it was shown that the enzyme responsible for O-acetylation is the O-acetyltransferase NeuO, which is encoded by the K1-specific prophage CUS-3. The distribution of neuO as well as the functional relevance of the K1 capsule O-acetylation for the bacterium were largely unknown at the start of the thesis. A strain collection comprising 183 E. coli K1 strains was established. The E. coli K1 isolates derived from stool samples of healthy donors, human urinary tract infections, human invasive diseases like newborn meningitis and bacteremia, and from avian colisepticemia. All isolates were typed by multilocus sequence typing (MLST). Thirty-nine sequence types (ST) and five sequence type complexes (STC) were identified. The major share of the strains belonged to the STC95 (80 strains, 44%). 103 of 183 E. coli K1 strains were neuO-positive (56%). The gene was found in 78 (98%) STC95 isolates, but only in 25 (24%) of 103 non-STC95 isolates. Therefore, there was an association of neuO with the STC95. With the help of DNA sequencing of internal fragments of CUS-3, distinct CUS-3 genotypes were assigned. There was a segregation of CUS-3 genotypes according to STs, suggesting coevolution of the prophage CUS-3 and its host. Some human and avian isolates were indistinguishable with respect to MLST, CUS-3 genotyping and the presence of genetic markers associated with extraintestinal pathogenic E. coli, which was compatible with the hypothesis of zoonotic transmission of these strains. Functional analyses performed in this study neither revealed an impact of NeuO-mediated K1 capsule O-acetylation on the ability of the bacteria to adhere to or invade into human brain microvascular endothelial cells, nor on the in vivo virulence of the bacteria in a chicken infection model. K1 capsule O-acetylation decreased in vivo chicken gut colonization and in vitro biofilm formation, while increasing E. coli K1 desiccation resistance. This study provides evidence that phase variable neuO expression and the subsequent O-acetylation of the E. coli K1 capsule serves as an efficient tool for the adaptation to changing environments.
KW  - Escherichia coli
KW  - Kapsel <Mikrobiologie>
KW  - Biofilm
KW  - Phylogenie
KW  - Virulenzfaktor
KW  - Acetylierung
KW  - Genexpression
KW  - O-Acetylierung
KW  - Multilokus-Sequenztypisierung
KW  - O-acetylation
KW  - multilocus sequence typing
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-47880
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lößner, Isabel
T1  - Die Rolle des bakteriellen Insertionselements IS256 bei der Modulation der Biofilmbildung in Staphylococcus epidermdis
T1  - The role of the bacterial insertion sequence IS256 in the modulation of biofilmproduction in Staphylococcus epidermidis
N2  - Staphylococcus epidermidis zählt zu den häufigsten Erregern nosokomialer Infektionen im Zusammenhang mit implantierten Fremdkörpern. Diese Bakterien zeigen eine außergewöhnliche phänotypische und genotypische Variabilität, von der auch die Expression wichtiger virulenz- und resistenzassoziierter Gene betroffen ist. Möglicherweise verfügen Staphylokokken damit über Anpassungsstrategien, die sie für das Überleben unter wechselnden Umweltbedingungen benötigen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von bakteriellen Insertionssequenzen (IS) bei der Genomplastizität von Staphylococcus epidermidis untersucht. Im Mittelpunkt des Interesses stand dabei das Insertionselement IS256 und sein Einfluß auf die Biofilmbildung von Staphylococcus epidermidis. Die Fähigkeit von S. epidermidis, an Oberflächen zu haften und Biofilme zu bilden ist von der Präsenz und Expression des ica-Operons abhängig, das Enzyme für die Synthese eines Exopolysaccharids (PIA) kodiert. Die PIA-Produktion ist äußerst variabel und hat damit Einfluß auf das Virulenz- und Kolonisierungsverhalten dieser Bakterien. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, daß die veränderliche PIA-Produktion bei S. epidermidis im wesentlichen auf drei Mechanismen zurückzuführen ist, an denen das IS-Element IS256 ursächlich beteiligt ist. Zunächst konnte durch den Vergleich der IS256-spezifischen Hybridisierungsmuster eines biofilmbildenden S. epidermidis-Wildtypstammes und dessen PIA-negativer Spontanvarianten gezeigt werden, daß die multiplen IS256-Kopien im Genom dieses Stammes außerordentlich aktiv sind. Die nähere Analyse der Varianten ergab bei einem Teil der PIA-negativen Abkömmlinge umfangreiche IS256-vermittelte genomische Umordnungen als Ursache für den Verlust der Biofilmbildung. Eine weitere Gruppe von Biofilm-negativen Varianten wies IS256-Insertionen im ica-Gencluster auf. Die Verteilung der Insertionsstellen im ica-Operon ließ darauf schließen, daß es sich bei dem icaC-Gen um einen Hot-spot für die Integration von IS256 handelt. Solche ica::IS256-Insertionen konnten bereits in zahlreichen S. epidermidis Stämmen nachgewiesen werden. Da diese Insertionen reversibel sind, bilden sie eine wesentliche Ursache für die Phasenvariation der Biofilmbildung von S. epidermidis. Bei einer dritten Gruppe von Varianten konnten Deletionen verschieden großer DNA-Abschnitte im S. epidermidis-Chromosom beobachtet werden, die zu einem Verlust der ica-Gene und damit der Fähigkeit, Biofilme auszubilden, führte. Um die Frage zu klären, welche Gene in der Umgebung des ica-Operons liegen und durch die Deletion von bis zu 250 kb-großen DNA-Fragmenten verloren gehen, wurde eine Cosmid-Genbank des S. epidermidis –Wildtypstammes erstellt. Die durch Nukleotidsequenzierung erhaltenen Informationen wurden mit der in der Genom-Datenbank zur Verfügung stehenden Sequenz des 1. A ZUSAMMENFASSUNG 2 Referenzstammes S. epidermidis RP62A verglichen und in einer Genkarte zusammengefaßt. Neben einzelnen Unterschieden zwischen den beiden S. epidermidis-Stämmen fiel vor allem auf, daß mehrere der von der Deletion betroffenen Leseraster für Proteine mit Ähnlichkeiten zu oberflächenassoziierten Proteinen kodieren, die an der Adhärenz der Bakterien beteiligt sein könnten. Daneben finden sich aber auch Leserahmen mit Ähnlichkeiten zu Transportsystemen und zahlreiche mobile genetische Elemente. Diese Ergebnisse lassen vermuten, daß das ica-Operon von S. epidermidis möglicherweise Teil einer Pathogenitätsinsel ist. Die Analyse der Deletionsrandbereiche einer Mutante ergab, daß der Verlust von mehr als 200 kb DNA durch homologe Rekombination zwischen zwei IS256-Elementen vermittelt wurde, die im Wildtypstamm in gleicher Orientierung zueinander vorlagen. Da IS256 offensichtlich eine wichtige Rolle bei der Genomplastizität von S. epidermidis spielt, konzentrierte sich der zweite Teil der Arbeit auf die Aufklärung des Transpositionsmechanismus dieses IS-Elements. Dabei konnte gezeigt werden, daß IS256 eine alternative Transpositionsreaktion nutzt, die durch die Bildung zirkulärer, extrachromosomaler DNA-Moleküle gekennzeichnet ist. Diese DNA-Zirkel bestehen aus einer vollständigen IS256-Kopie, bei der die beiden Enden des Elementes durch eine variable Anzahl von Nukleotiden fremder DNA als Brücke miteinander verbunden sind. Es konnte gezeigt werden, daß diese kurzen DNA-Abschnitte aus der Nachbarschaft der früheren IS256-Insertionsstelle stammen, wobei sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts liegende Nukleotidsequenzen nachgewiesen wurden. Neben diesen vollständigen IS256-Zirkeln wurden aber auch Moleküle gefunden, bei denen entweder das rechte oder das linke Ende von IS256 fehlten. Die Daten legen nahe, daß beide IS256-Enden an der Zirkelbildung teilnehmen können und im Unterschied zu anderen zirkelbildenden Insertionssequenzen, die Strangtransferreaktion während der Zirkularisierung mit geringer Spezifität verläuft. Ringförmige IS256-Moleküle konnten sowohl in S. epidermidis als auch in rekombinanten S. aureus und E. coli-Stämmen nachgewiesen werden, was auf eine untergeordnete Rolle speziesspezifischer Faktoren bei diesem Prozeß schließen läßt. Dagegen konnte durch die Einführung einer Mutation in das putative Transposasegen des Elementes gezeigt werden, daß dieses Genprodukt für die IS256-Zirkularisierung essentiell ist. Es ist zu vermuten, daß die Bildung zirkulärer IS256-Moleküle die Voraussetzung für die präzise Exzision des Elementes während der Phasenvariation der Biofilmproduktion bildet. Außerdem ist die Generierung stabiler Mutationen durch das Zurücklassen von Teilen der duplizierten Zielsequenz oder durch die Vermittlung kleinerer Deletionen während der Zirkelbildung vorstellbar. Darüber hinaus bilden die multiplen Kopien des Elementes im Genom Kreuzungspunkte für homologe Rekombinationsereignisse. IS256 stellt damit sehr wahrscheinlich einen wesentlichen Faktor für die Flexibilität des Genoms von S. epidermidis dar. Die detaillierte Aufklärung der molekularen Mechanismen, die die Transposition von IS256 beeinflussen, könnten daher wertvolle Einblicke in die genetischen Anpassungsstrategien dieses bedeutenden nosokomialen Pathogens geben.
N2  - Staphylococcus epidermidis is the predominant cause of implanted medical device related infections and of nosokomial sepsis. These bacteria show an unusual phenotypic and genotypic variability that comprises the expression of virulence- and resistance-associated genes. This adaptability is thought to be involved in the survival of staphylococci under changing environmental conditions. In this study the role of bacterial insertion sequences (IS) in the genome plasticity of S. epidermidis was investigated. Of particular interest was the insertion sequence element IS256 and its influence on S. epidermidis-biofilm formation. The capability of S. epidermidis to attach to surfaces and to form biofilms is due to the presence and expression of the ica Operon. This gene locus was shown to mediate cell-cell adhesion and production of the polysaccharid intercellular adhesin (PIA). The PIA-production is variable and has an influence on the virulence and staphylococcal colonization. In the first part of this work it was shown that variable PIA-production depends on three different mechanisms which involve the insertion sequence IS256. By comparison of different IS256-specific hybridization patterns of a biofilm forming wildtype S. epidermidis and its PIA-negative spontaneous variants, it could be shown that IS256 which is present in multiple copies in the genome of this strain is highly active. A more detailed analysis of this variants has shown that IS256 mediates genome rearrangements and causes the loss of biofilm formation in a number of PIA-negative variants. Another group of biofilm-negative variants carries an IS256 inserted in the ica-Operon. The distribution of the icaC::IS256 insertion sites led us assume that icaC is a hot spot for the integration of IS256. ica::IS256 insertions have been detected in numerous S. epidermidis strains. Because this insertions are reversible they are a substantial cause for phase variation of biofilm formation in S. epidermidis. A third group of variants shows the deletion of chromosomal DNA fragments of variable length which are accompanied with the loss of the ica genes and the ability to form biofilms. To answer the question which are the ica-neighbouring genes that get lost with the deletion of DNA-Fragments up to 250 kbp, we constructed an S. epidermidis wild type cosmid library. Nucleotide sequence information has been compared with the sequence of the reference strain S. epidermidis RP62A that is available in the genome database and was summarized in a gene map. Apart from some differences between this two S. epidermidis strains, it was remarkable that various open reading frames get lost, which show similarities to surface-associated proteins and which might be involved in adherence of bacteria. In addition, there are open reading frames showing similarities to transport proteins and numerous mobile DNA elements. These results indicate that the ica operon could be possibly a part of a pathogenicity island. Analysis of the deletion borders of a mutant has shown that homologous 1. B SUMMARY 4 recombination between two IS256 elements, oriented in the same direction, were responsible for the loss of more than 200 kbp DNA. Because IS256 plays an essential role in the genome plasticity in S. epidermidis it was of special interest to elucidate the transposition mechanism of IS256 which was the second part of this work. The data obtained in this analyses have shown that IS256 transposes via an alternative transposition mechanism that is characterized by the formation of extrachromosomal circular DNA molecules. These DNA circles consist of complete IS256 copies in which the left and the right end of the IS element are connected via foreign DNA (circle junctions). It could be shown that these circle junctions were derived from upstream and downstream flanking DNA-sequences of the parental genetic locus. In addition to complete circles, incomplete circles were detected in which either the left or the right end of IS256 was truncated. These results suggest that either end of IS256 can attack the opposite terminus and, in contrast to other circle-forming IS elements, the strand-transfer reaction occurs with low specifity. Circular IS256 molecules could be shown both in recombinant S. aureus and E. coli strains, which indicates that in the circularization process host factors play a minor role. Mutagenesis of the gene for the putative transposase revealed that this gene product is essential for formation of IS256 circles. There are grounds for the assumption that the formation of IS256-circles is the prerequisite for precise excision of the element during biofilm phase variation. Besides the generation of stable mutations through imprecise excision of the element is conceivable. In addition multiple copies of the element in the genome represent sites for homologous recombination. The combined data suggest that IS256 represents a driving force in the flexibility of the S. epidermidis genome. A detailed analysis of the molecular mechanisms which influence the transposition of IS256 could give an insight into the genetic adaptation of this important nosocomial pathogen.
KW  - Staphylococcus epidermis
KW  - Biofilm
KW  - Insertionselement
KW  - Staphylococcus epidermidis
KW  - Biofilm
KW  - IS256
KW  - ica
KW  - Genomvariabilität
KW  - Staphylococcus epidermidis
KW  - biofilm
KW  - IS256
KW  - ica
KW  - genomvariability
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-3258
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lerch, Maike Franziska
T1  - Characterisation of a novel non-coding RNA and its involvement in polysaccharide intercellular adhesin (PIA)-mediated biofilm formation of \(Staphylococcus\) \(epidermidis\)
T1  - Charakterisierung einer neuen nicht-kodierenden RNA und deren Beteiligung an der PIA-vermittelten Biofilmbildung von \(Staphylococcus\) \(epidermidis\)
N2  - Coagulase-negative staphylococci, particularly Staphylococcus epidermidis, have been recognised as an important cause of health care-associated infections due to catheterisation, and livestock-associated infections. The colonisation of indwelling medical devices is achieved by the formation of biofilms, which are large cell-clusters surrounded by an extracellular matrix. This extracellular matrix consists mainly of PIA (polysaccharide intercellular adhesin), which is encoded by the icaADBC-operon. The importance of icaADBC in clinical strains provoking severe infections initiated numerous investigations of this operon and its regulation within the last two decades. The discovery of a long transcript being located next to icaADBC, downstream of the regulator gene icaR, led to the hypothesis of a possible involvement of this transcript in the regulation of biofilm formation (Eckart, 2006). Goal of this work was to characterise this transcript, named ncRNA IcaZ, in molecular detail and to uncover its functional role in S. epidermidis. 
The ~400 nt long IcaZ is specific for ica-positive S. epidermidis and is transcribed in early- and mid-exponential growth phase as primary transcript. The promotor sequence and the first nucleotides of icaZ overlap with the 3' UTR of the preceding icaR gene, whereas the terminator sequence is shared by tRNAThr-4, being located convergently to icaZ. Deletion of icaZ resulted in a macroscopic biofilm-negative phenotype with highly diminished PIA-biofilm. Biofilm composition was analysed in vitro by classical crystal violet assays and in vivo by confocal laser scanning microscopy under flow conditions to display biofilm formation in real-time. The mutant showed clear defects in initial adherence and decreased cell-cell adherence, and was therefore not able to form a proper biofilm under flow in contrast to the wildtype. Restoration of PIA upon providing icaZ complementation from plasmids revealed inconsistent results in the various mutant backgrounds. 
To uncover the functional role of IcaZ, transcriptomic and proteomic analysis was carried out, providing some hints on candidate targets, but the varying biofilm phenotypes of wildtype and icaZ mutants made it difficult to identify direct IcaZ mRNA targets. Pulse expression of icaZ was then used as direct fishing method and computational target predictions were executed with candidate mRNAs from aforesaid approaches. The combined data of these analyses suggested an involvement of icaR in IcaZ-mediated biofilm control. Therefore, RNA binding assays were established for IcaZ and icaR mRNA. A positive gel shift was maintained with icaR 3' UTR and with 5'/3' icaR mRNA fusion product, whereas no gel shift was obtained with icaA mRNA. From these assays, it was assumed that IcaZ regulates icaR mRNA expression in S. epidermidis. S. aureus instead lacks ncRNA IcaZ and its icaR mRNA was shown to undergo autoregulation under so far unknown circumstances by intra- or intermolecular binding of 5' UTR and 3' UTR (Ruiz de los Mozos et al., 2013). Here, the Shine-Dalgarno sequence is blocked through 5'/3' UTR base pairing and RNase III, an endoribonuclease, degrades icaR mRNA, leading to translational blockade. In this work, icaR mRNA autoregulation was therefore analysed experimentally in S. epidermidis and results showed that this specific autoregulation does not take place in this organism. An involvement of RNase III in the degradation process could not be verified here. GFP-reporter plasmids were generated to visualise the interaction, but have to be improved for further investigations.
In conclusion, IcaZ was found to interact with icaR mRNA, thereby conceivably interfering with translation initiation of repressor IcaR, and thus to promote PIA synthesis and biofilm formation. In addition, the environmental factor ethanol was found to induce icaZ expression, while only weak or no effects were obtained with NaCl and glucose. Ethanol, actually is an ingredient of disinfectants in hospital settings and known as efficient effector for biofilm induction. As biofilm formation on medical devices is a critical factor hampering treatment of S. epidermidis infections in clinical care, the results of this thesis do not only contribute to better understanding of the complex network of biofilm regulation in staphylococci, but may also have practical relevance in the future.
N2  - Koagulase-negative Staphylokokken besiedeln die menschliche und tierische Haut, sowie die Schleimhäute. Durch Läsionen oder das Einbringen von medizinischen Instrumenten wie Kathetern gelangen sie in tiefere Hautschichten oder die Blutbahn und können dort schwerwiegende Infektionen auslösen, vor Allem bei Risikopersonen. Besonders Staphylococcus epidermidis hat sich als Verursacher von nosokomialen Infektionen, aber auch als Pathogen in der Tierhaltung etabliert. Die Bakterien bilden bei der Besiedlung sogenannte Biofilme aus (d.h. eine Akkumulation der Keime, die von einer extrazellulären Matrix umgeben sind). Diese Matrix besteht neben Proteinen und eDNA hauptsächlich aus einem Polysaccharid, dem interzellulären Adhäsin PIA (engl.: polysaccharide intercellular adhesin). Dieses wird durch die Ica-Proteine synthetisiert, die im icaADBC-Operon (engl.: intercellular adhesin operon) kodiert sind. Das Operon hat große Bedeutung in klinischen Stämmen und wurde daher innerhalb der letzten beiden Jahrzehnte eingehend untersucht, auch im Hinblick auf seine Regulation. In der unmittelbaren Umgebung des icaADBC-Operons, stromabwärts des icaR Gens, das für den Repressor des ica-Operons (IcaR) kodiert, wurde ein großes Transkript identifiziert, von dem vermutet wird, dass es möglicherweise an der Regulation der Biofilmbildung beteiligt ist (Eckart, 2006). Ziel dieser Arbeit war es, dieses Transkript zu charakterisieren und seine Funktion in S. epidermidis aufzudecken.
Die nicht-kodierende RNA, genannt IcaZ, hat eine Länge von ~400 nt und ist spezifisch für ica-positive S. epidermidis. Sie wird in der frühen bis mittleren exponentiellen Phase temperaturabhängig exprimiert. Stromaufwärts überlappt das icaZ-Gen und dessen Promotor mit der 3' UTR vom icaR-Gen. Stromabwärts wird das icaZ-Gen vom einem Transkriptionsterminator begrenzt, der auch für das tRNAThr-4-Gen benutzt wird, das auf dem gegenüberliegenden Strang in Richtung des icaZ-Gens lokalisiert ist. Die Deletion der RNA führte zu einem makroskopisch sichtbaren Biofilm-negativen Phänotyp mit deutlich verminderter PIA Bildung. Die Biofilmzusammensetzung wurde in vitro mittels eines klassischen Kristallviolett-Assays gemessen und die Biofilmbildung in vivo in Echtzeit mittels konfokaler Mikroskopie (CLSM) betrachtet. Dabei wurde mit einer peristaltischen Pumpe ein Mediumfluss appliziert. Die Mutante zeigte klare Defekte in der initialen Adhärenz und in der Zell-Zell Adhäsion. Sie bildete im Gegensatz zum Wildtyp keinen strukturierten Biofilm aus. Zur Komplementierung des Biofilms wurde die IcaZ von einem Plasmid exprimiert und die Biofilmzusammensetzung nach 18-20 Stunden Wachstum gemessen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen in den verschiedenen Mutanten waren nicht eindeutig.
Um die Funktion von IcaZ aufzudecken, wurden Transkriptom- und Proteomvergleiche zwischen Wildtyp und Mutante gemacht. Diese lieferten einige Hinweise, aber da der metabolische Unterschied eines Biofilmbildners zu einem Nicht-Biofilmbildner zu groß war, wurde eine direktere Methode angewandt, die induzierte Expression (Pulsexpression). Zudem wurden potentielle Interaktionspartner der IcaZ mittels computer-basierter Bindungsvorhersagen analysiert. Die icaR mRNA kristallisierte sich dabei als Target heraus und die Interaktion zwischen IcaZ und icaR mRNA wurde mit Gelshift-Assays (EMSA) untersucht. Eine Bandenverschiebung wurde mit icaR 3' UTR und mit dem icaR-5'-3' UTR-Fusionsprodukt detektiert, wohingegen keine Interaktion zwischen IcaZ und icaA mRNA stattfand. Aufgrund dieser Assays wurde vermutet, dass IcaZ die Translation von icaR in S. epidermidis reguliert. In S. aureus fehlt die nicht-kodierende RNA IcaZ und für icaR mRNA wurde eine Autoregulation gezeigt, bei der die icaR 5' UTR mit der icaR 3' UTR intramolekular oder intermolekular durch Basenpaarung interagiert, wodurch die Shine-Dalgarno Sequenz blockiert wird und es aufgrund dessen zu einer Hemmung der Translation kommt. Die Umweltfaktoren, die dazu führen sind bisher unbekannt. Der Komplex wird durch eine Endoribonuklease, RNase III, abgebaut (Ruiz de los Mozos et al., 2013). In S. epidermidis wurde eine solche Interaktion theoretisch ausgeschlossen. Experimentelle Analysen dieser Arbeit haben gezeigt, dass diese Autoregulation in S. epidermidis nicht stattfinden kann und es wird angenommen, dass IcaZ diese Regulation übernimmt. Um die Interaktion zu visualisieren wurden GFP-Reporter Plasmide generiert, die aber für weitere Experimente noch zu verbessern sind.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass IcaZ mit der icaR mRNA interagiert, was höchstwahrscheinlich zu einer Hemmung der Translation des Repressors IcaR führt und damit letztlich PIA-Synthese und Biofilmbildung positiv reguliert. Zusätzlich wurde gefunden, dass Ethanol die Expression der IcaZ-RNA induziert, während NaCl nur schwache Effekte zeigte und Glucose keinen Einfluss auf die Expression von icaZ hatte. Ethanol ist ein Bestandteil von Desinfektionsmitteln, die in Krankenhäusern verwendet werden und ist bekannt dafür Biofilmbildung auszulösen. Da die Bildung von Biofilmen auf medizinischen Geräten kritisch ist und diese die Behandlung von S. epidermidis Infektionen erschweren, tragen die Ergebnisse dieser Arbeit nicht nur zu einem besseren Verständnis des komplexen Netzwerks der Biofilmregulation bei, sondern haben möglicherweise auch praktischen Nutzen in der Zukunft.
KW  - Biofilm
KW  - Staphylococcus epidermidis
KW  - Non-coding RNA
KW  - Hospitalismus <Hygiene>
KW  - icaADBC
KW  - Nosocomial Infections
KW  - Polysaccharide intercellular adhesin (PIA)
KW  - Biofilm formation
KW  - non-coding RNA
KW  - ncRNA
KW  - Nosokomiale Infektionen
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155777
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lappann, Martin
T1  - Morphologische und funktionelle Untersuchungen zur Biofilmbildung bei dem humanen Pathogen Neisseria meningitidis
T1  - Morphologic and functional investigations of the biofilm formation by the human pathogen Neisseria meningitidis
N2  - 1. Zusammenfassung Neisseria meningitidis ist weltweit ein bedeutender Erreger invasiver Infektionen bei Kindern und Heranwachsenden. Der in vielen Ländern niedrigen Inzidenz stehen hohe Raten asymptomatischer Kolonisation des menschlichen Nasopharynx mit Meningokokken gegenüber. Während die Pathogenese durch Meningokokken ausführlich untersucht ist, wurde dem Trägertum von Meningokokken bisher wenig Aufmerksamkeit geschenkt, nicht zuletzt auch wegen des Fehlens eines geeigneten Tiermodells. Kürzlich publizierte Daten lassen die asymptomatische Persistenz von Meningokokken in einem Biofilm-ähnlichen Stadium auf und innerhalb des Tonsillengewebes vermuten. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Etablierung eines Biofilmmodells für Meningokokken als ein Modell für asymptomatisches Trägertum. Es wurde zudem die Biofilmbildung von Meningokokken unterschiedlichster klonaler Linien mit dem Ziel untersucht, auf molekularer Ebene die Biofilmbildung bei Meningokokken zu verstehen. In statischen Biofilmtests konnte gezeigt werden, dass Biofilmbildung eine ubiquitäre Eigenschaft von Meningokokken ist, solange diese keine Kapsel exprimieren. Hierbei war es unerheblich, ob Trägerisolate oder Isolate aus invasiven Meningokokkenerkrankungen untersucht wurden. Durch die Konstruktion fluoreszierender Meningokokkenstämme und die Etablierung eines Minimalmediums konnte für Meningokokken ein standardisiertes Biofilmmodell unter Flussbedingungen erstellt werden. Das Flussmodell für Meningokokkenbiofilme erwies sich als äußerst robust und reproduzierbar. Es wurde deutlich, dass Meningokokken Biofilme unterschiedlicher Struktur ausbildeten, die teilweise über 120 Stunden in vitalem Zustand gehalten werden konnten. Die Mehrzahl der Stämme bildete heterogene Biofilme mit distinkten Mikrokolonien aus, während andere Stämme homogene Biofilme ohne Mikrokolonien ausbildeten. Diese strukturellen Unterschiede hatten keinen Effekt auf die Antibiotika-Empfindlichkeit der Biofilme. Es konnte gezeigt werden, dass Meningokokkenbiofilme durch Ciprofloxacin und Rifampicin, nicht aber durch Penicillin im Wachstumsmedium abgetötet werden konnten. Diese Ergebnisse passen zu in vivo-Befunden, die zeigen, dass Ciprofloxacin und Rifampicin im Gegensatz zu Penicillin sehr zuverlässig das Trägertum von Meningokokken eradizieren können. Durch die Untersuchung der Biofilmbildung von PilX- und PilE-Mutanten konnte die Bedeutung der Twitching Motility für die Mikrokoloniebildung im Meningokokkenbiofilm aufgezeigt werden. Ausgeprägte Motilität führte zu Mikrokoloniebildung, während weitgehend unbewegliche Stämme flache unstrukturierte Biofilme bildeten. In der vorliegenden Arbeit konnte der Verlust der Mikrokoloniebildung bei der PilX-Mutante durch Reduktion der Piliierung, die zu verminderter Motilität führte, erklärt werden. Autoaggregation der Zellen spielte für die Mikrokoloniebildung keine Rolle, was im Widerspruch zur kürzlich publizierten Rolle von PilX steht. Initiale Schritte der Biofilmbildung bei Meningokokken könnten von extrazellulärer DNA (exDNA) abhängen, da die Zugabe von DNase zur Vorkultur die Biofilmbildung verhinderte, jedoch bestehende reife Biofilme nicht auflöste. Die Funktion, der Mechanismus der Freisetzung, sowie die Menge und Verteilung dieser exDNA in Meningokokkenbiofilmen wird Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein.
N2  - 2. Summary Neisseria meningitidis worldwide contributes significantly to childhood and adolescent morbidity and mortality. The low incidence of disease in many countries is in opposition to the high rates of asymptomatic meningococcal colonization of the human nasopharynx. While meningococcal pathogenesis has been studied extensively, only little attention has been paid to meningococcal carriage so far, not least because of the lack of an appropriate animal model. Recently published data lead to the assumption that meningococci persist asymptomatically on top of and within tonsillar tissue in a biofilm-like stage. Therefore, the aim of the present study was the establishment of a biofilm model for meningococci as a model for asymptomatic carriage. Biofilm formation of different clonal lineages was investigated to better understand meningococcal biofilm formation on a molecular level. First experiments using static biofilm assays revealed that biofilm formation is a ubiquitous property of meningococci, as long as no polysaccharide capsule is expressed. In this regard it was irrelevant whether carriage isolates or isolates from invasive meningococcal disease were investigated. By constructing fluorescent meningococcal strains and by establishing a suitable minimal growth medium, a meningococcal biofilm model under standardized flow conditions could be established. The flow model for meningococcal biofilms turned out to be very robust and reproducible. It became apparent that meningococci formed biofilms with different structures, which could partly be maintained in a vital state for more than 120 hours. The majority of strains formed heterogeneous biofilms with distinct microcolonies, while other strains formed homogeneous biofilms without microcolonies. These structural differences had no impact on the antibiotic susceptibility of the biofilms. All meningococcal biofilms were killed by ciprofloxacin and rifampin, but not by penicillin in the growth medium. These results fit to in vivo-findings, where ciprofloxacin and rifampin in contrast to penicillin very reliably eradicated meningococcal carriage. By investigating the biofilm formation of PilX and PilE mutants the impact of twitching motility for microcolony formation could be highlighted. Pronounced motility led to microcolony formation, while almost non-motile strains formed flat unstructured biofilms. In the present work the loss of microcolony formation by reduced motility in the PilX mutant could be explained by a reduction of the piliation status. Autoaggregation had no impact on microcolony formation, which is in conflict to the recently published role of PilX. Early steps of meningococcal biofilm formation might depend on extracellular DNA (exDNA) as a matrix substance, since the addition of DNase prevented biofilm formation, but did not dissolve pre-existing mature biofilms. The function of this exDNA, the mechanism of release, as well as the amount and distribution on meningococcal biofilms will be the subject to further investigations.
KW  - Neisseria meningitidis
KW  - Biofilm
KW  - antibiotische Toleranz
KW  - PilX
KW  - Neisseria meníngitidis
KW  - biofilm
KW  - antibiotic tolerance
KW  - PilX
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-23546
ER  -