Eslam Samir Ragab Ibrahim

• Biological systems are in dynamic interaction. Many responses reside in the core concepts of biological systems interplay (competition and cooperation). In infection situation, the competition between a bacterial system and a host is shaped by many stressors at spatial and temporal determinants. Reactive chemical species are universal stressors against all biological systems since they potentially damage the basic requirements of these systems (nucleic acids, proteins, carbohydrates, and lipids). Either produced endogenously or exogenously,Biological systems are in dynamic interaction. Many responses reside in the core concepts of biological systems interplay (competition and cooperation). In infection situation, the competition between a bacterial system and a host is shaped by many stressors at spatial and temporal determinants. Reactive chemical species are universal stressors against all biological systems since they potentially damage the basic requirements of these systems (nucleic acids, proteins, carbohydrates, and lipids). Either produced endogenously or exogenously, reactive chemical species affect the survival of pathogens including the gram-positive Staphylococcus aureus (S. aureus). Therefore, bacteria developed strategies to overcome the toxicity of reactive species. S. aureus is a widely found opportunistic pathogen. In its niche, S. aureus is in permanent contact with surrounding microbes and host factors. Deciphering the deterministic factors in these interactions could facilitate pinpointing novel bacterial targets. Identifying the aforementioned targets is crucial to develop new strategies not only to kill the pathogenic organisms but also to enhance the normal flora to minimize the pathogenicity and virulence of potential pathogens. Moreover, targeting S. aureus stress response can be used to overcome bacterial resistance against host-derived factors. In this study, I identify a novel S. aureus stress response factor against reactive electrophilic, oxygen, and hypochlorite species to better understand its resilience as a pathogen. Although bacterial stress response is an active research field, gene function is a current bottleneck in characterizing the understudied bacterial strategies to mediate stress conditions. I aimed at understanding the function of a novel protein family integrated in many defense systems of several biological systems. In bacteria, fungi, and plants, old yellow enzymes (OYEs) are widely found. Since the first isolation of the yellow flavoprotein, OYEs are used as biocatalysts for decades to reduce activated C=C bonds in α,β-unsaturated carbonyl compounds. The promiscuity of the enzymatic catalysis is advantageous for industrial applications. However, the physiological function of OYEs, especially in bacteria, is still puzzling. Moreover, the relevance of the OYEs in infection conditions remained enigmatic.   Here, I show that there are two groups of OYEs (OYE flavin oxidoreductase, OfrA and OfrB) that are encoded in staphylococci and some firmicutes. OfrA (SAUSA300_0859) is more conserved than OfrB (SAUSA300_0322) in staphylococci and is a part of the staphylococcal core genome. A reporter system was established to report for ofrA in S. aureus background. The results showed that ofrA is induced under electrophilic, oxidative, and hypochlorite stress. OfrA protects S. aureus against quinone, methylglyoxal, hydrogen peroxide, and hypochlorite stress. Additionally, the results provide evidence that OfrA supports thiol-dependent redox homeostasis. At the host-pathogen interface, OfrA promotes S. aureus fitness in murine macrophage cell line. In whole human blood, OfrA is involved in S. aureus survival indicating a potential clinical relevance to bacteraemia. In addition, ofrA mutation affects the production of the virulence factor staphyloxanthin via the upper mevalonate pathway. In summary, decoding OfrA function and its proposed mechanism of action in S. aureus shed the light on a conserved stress response within multiple organisms.…
• Biologische Systeme unterliegen ständig dynamischen Interaktionen. Diese werden geprägt von Konkurrenz und Kooperation. Im Falle einer Infektion wird die Konkurrenz zwischen einem bakteriellen Organismus und dem infizierten Wirt von der Einwirkung vieler Stressoren in allen biologischen Nischen geprägt. Eine fundamentale Rolle spielen dabei reaktive chemische Verbindungen die als universale Stressoren alle biologischen Systeme mit ihren fundamentalen Makromolekülen (Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Lipide) potenziell schädigen.Biologische Systeme unterliegen ständig dynamischen Interaktionen. Diese werden geprägt von Konkurrenz und Kooperation. Im Falle einer Infektion wird die Konkurrenz zwischen einem bakteriellen Organismus und dem infizierten Wirt von der Einwirkung vieler Stressoren in allen biologischen Nischen geprägt. Eine fundamentale Rolle spielen dabei reaktive chemische Verbindungen die als universale Stressoren alle biologischen Systeme mit ihren fundamentalen Makromolekülen (Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Lipide) potenziell schädigen. Reaktive chemische Verbindungen, entweder endogen oder exogen gebildet, beeinträchtigen das Überleben aller Pathogene, auch das Überleben des in dieser Arbeit behandelten gram-positiven Bakteriums Staphylococcus aureus (S. aureus). Um die lebensbedrohende Toxizität der reaktiven Verbindungen zu umgehen, haben Bakterien eine Vielzahl hoch spezialisierter Überlebensstrategien entwickelt. S. aureus ist ein weit verbreiteter opportunistischer Krankheitserreger. Er unterliegt dem permanenten Kontakt mit dem umgebenden Mikrobiom und den verschiedenartigen Wirtsfaktoren. Das Wissen um die Mechanismen der bakteriellen Stressabwehr während einer Pathogen-Wirts-Beziehung könnte als Grundlage für die Identifizierung neuer antibakterieller Zielstrukturen dienen. Eine spezifische Inaktivierung solcher Strukturen könnte dann den pathogenen Organismus schädigen ohne die normale Flora zu schwächen. Ferner können Untersuchungen an der Stressantwort von S. aureus genutzt werden, um die bakterielle Resistenz gegen wirtseigene Faktoren zu schwächen. Im Mittelpung dieser Arbeit steht die Charakterisierungeines neuartigen Faktors in der Stressantwort von S. aureus, der sowohl gegen elektrophilen Stress als auch gegen reaktive Sauerstoff- und Hypochlorit-Verbindungen aktiv ist. Die Ergebnisse der Arbeiten tragen zu einem besseren Verständnis der Stressantwort von dem wichtigen pathogenen Bakterium S. aureus bei. Trotz der Tatsache, dass die Untersuchung bakterieller Stressantworten Gegenstand der aktuellenForschung ist, sind viele Prozesse und die daran beteiligten Faktoren nur unzureichend charakterisiert. Daher war die Zielsetzung dieser Thesisdie Funktion eines Vertreters einer neuen Proteinfamilie, die mglw. in vielen Abwehrsystemen gegen chemische Stressoren eine wichtige Rolle spielt, zu untersuchen. Die von Otto Warburg erstmalig als “old yellow enzymes” (OYEs) bezeichnete Proteinfamilie ist im Bakterien-, Pilz- und Pflanzenreich weit verbreitet. Nach der erstmaligen Isolation des gelben Flavoproteins, werden OYEs seit vielen Jahrzehnten als Biokatalysatoren verwendet, um aktivierte C=C-Doppelbindungen in α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen zu reduzieren. Die Promiskuität der enzymatischen Katalyse ist für industrielle Anwendungen sehr vorteilhaft. Nichtsdestotrotz konnte die physiologische Funktion von OYEs besonders in Bakterien bislang nur ansatzweise aufgeklärt werden und die Beteiligung der OYEs unter Infektionsbedingungen ist weiterhin unbekannt. In dieser Arbeit wurden zwei Vertreterder OYEs (OYE flavin oxidoreductase OfrA und OfrB) im Genom von Staphylokokken und Firmicuten identifiziert. OfrA (SAUSA300_0859) ist in Staphylokokken stärker konserviert als OfrB (SAUSA300_0322) und ist Teil des Kerngenoms. Es wurde ein Reportersystem etabliert, um die Expression von ofrA in S. aureus-Stämmen zu untersuchen. Die Daten dieser Arbeit zeigen, dass ofrA unter elektrophilen, oxidativen und hypochloriten Stressbedingungen induziert wird. OfrA schützt S. aureus vor Stress durch Quinone, Methylglyoxal, Wasserstoffperoxid und Hypochlorit. Weiterhin liefern die Ergebnisse Evidenz, dass OfrA die Thiol-abhängige Redox-Homöostase unterstützt. Weiterhin ist OfrA an der Fitness und dem Überleben von S. aureus nach Phagozytose in murinen Makrophagen beteiligt. Das Überleben von S. aureus in humanem Vollblut war ebenfalls sehr stark von der OfrA Expression abhängig. Somit kann auf eine wichtige Rolle von OfrA während des Infektionsgeschehens z.B. bei Bakteriämie geschlossen werden. Weiterhin zeigt sich, dass Mutationen in ofrA, die Produktion des Virulenzfaktors Staphyloxanthin über den oberen Mevalonatweg beeinflussen. Insgesamt liefert die vorliegende Arbeit neue Einblicke in die Funktion und Verbeitung von OfrA, einem neuen Vertreter aus der Klasse der OYEs. Die vorliegenden Ergebnisse ermöglichen somit auch ein besseres Verständnis konservierter Strategien der Stressantwort bei Bakterien und deren Bedeutung während des Infektionsgeschehens.…