Manonmani Soundararajan

• Gastrointestinal infections account for high morbidity and mortality in humans every year across the globe. The increasing emergence of antibiotic resistance among the gastrointestinal pathogens and the induction of virulence factors by antibiotics makes it highly risky to only depend on antibiotic therapy for intestinal infections. Most of these infections are associated with an imbalance in the gut microbial population whereas the restoration of the balance with probiotic supplements can result in an improvement of the health condition.Gastrointestinal infections account for high morbidity and mortality in humans every year across the globe. The increasing emergence of antibiotic resistance among the gastrointestinal pathogens and the induction of virulence factors by antibiotics makes it highly risky to only depend on antibiotic therapy for intestinal infections. Most of these infections are associated with an imbalance in the gut microbial population whereas the restoration of the balance with probiotic supplements can result in an improvement of the health condition. Probiotics are therefore considered as successful support in the treatment of gastrointestinal infections. E. coli Nissle 1917 (EcN) is the active component of the probiotic medication Mutaflor® and has been used in the treatment of various gastrointestinal disorders for more than 100 years. Several studies have reported antagonistic effects of EcN against enterohemorrhagic E. coli (EHEC) in vitro and in vivo. However, detailed investigations on the probiotic mechanisms and safety aspects of EcN are a pre-requisite, for administering EcN to treat EHEC infected patients or to use EcN as a prophylactic for the patient’s close contacts. In this regard, the first part of the study aimed to understand the nature and behaviour of EcN in the presence of pathogenic or non-pathogenic E. coli strains. Transcriptomic analysis was deployed to this end. We investigated the changes in EcN’s transcriptome after different time points of coculture with the EHEC strain EDL933 or the K-12 strain MG1655. The transcriptome data reported a strain-specific response in EcN at all the investigated time points (3 h, 5 h, 7 h and 8 h) of coincubation. The alterations in gene regulation of EcN were highly pronounced in initial timepoints (3 h and 5 h) of coincubation with EDL933, which gradually decreased over time. In the presence of MG1655, the alterations were strongly differentially regulated only at later time points (7 h and 8 h). The unique transcriptional response of EcN towards two different E. coli strains, that are genetically more than 98 % identical, was startling. 12 More importantly, this can be considered as a beneficial trait of EcN over a chemical-pharmaceutical preparation like an antibiotic that might act identically on all target cells. Bacteriophages are one of the most abundant members of gut microbiota. On the one hand, the infection of a probiotic strain by a lysogenic phage could transfer genetic material coding for pathogenic factors or antibiotic resistance into an otherwise beneficial probiotic bacterium and thereby converting it into a virulent pathogenic bacterium. On the other hand, infection by a lytic phage could result in bacterial lysis and prevent the bacterium from exerting its probiotic effect. Thus, in order to successfully establish and colonise the gut, it is crucial for any probiotic to be resistant against phage infections. To address this, in the second part of the study, we investigated the phage resistance of EcN towards the lysogenic lambda and the lytic T4 phage. EcN showed complete resistance against tested phages and was also able to inactivate these phages upon coincubation. In the case of lambda phages, the resistance was attributed to the presence of a lambdoid prophage (prophage 3) in the genome of EcN. In addition, the overexpression of one of the early genes of EcN’s prophage 3 (i.e. phage repressor gene pr) in the phage sensitive MG1655 conferred partial protection against lambda phage infection. Moreover, the inactivation was mediated by binding of lambda phages to its receptor LamB. Experiments with lytic T4 phages revealed that the EcN’s K5 polysaccharide capsule was crucial for its T4 phage resistance, while its lipopolysaccharide (LPS) inactivated the T4 phages. Apart from protecting itself, EcN displayed even a protective role for the tested K-12 strains, by interfering with the lysogeny and lysis by these phages. In summary, this work highlights two novel positive traits of the probiotic strain EcN: i) the strain-specific response that was evident from the global transcriptome analysis of EcN when incubated with other E. coli strains, and ii) lytic and lysogenic phage resistance. Both these traits are additional safety aspects for a well-characterised probiotic strain and encourage its application in therapeutics.…
• Gastrointestinale Infektionen sind jedes Jahr weltweit für eine hohe Morbidität und Mortalität beim Menschen verantwortlich. Das zunehmende Auftreten von Antibiotikaresistenzen bei gastrointestinalen Pathogenen und die Induktion von Virulenzfaktoren durch Antibiotika machen es hoch riskant Darminfektionen ausschließlich mit Antibiotika zu behandeln. Die meisten gastrointestinalen Infektionen sind mit einem Ungleichgewicht in der mikrobiellen Darmpopulation verbunden, während die Wiederherstellung des Gleichgewichts mit Probiotika zu einerGastrointestinale Infektionen sind jedes Jahr weltweit für eine hohe Morbidität und Mortalität beim Menschen verantwortlich. Das zunehmende Auftreten von Antibiotikaresistenzen bei gastrointestinalen Pathogenen und die Induktion von Virulenzfaktoren durch Antibiotika machen es hoch riskant Darminfektionen ausschließlich mit Antibiotika zu behandeln. Die meisten gastrointestinalen Infektionen sind mit einem Ungleichgewicht in der mikrobiellen Darmpopulation verbunden, während die Wiederherstellung des Gleichgewichts mit Probiotika zu einer Verbesserung des Gesundheitszustands führen kann. Daher gelten Probiotika als hilfreiche Unterstützung bei der Behandlung von Magen-Darm-Infektionen. E. coli Nissle 1917 (EcN) ist der aktive Bestandteil des probiotischen Medikaments Mutaflor® und wird seit mehr als 100 Jahren zur Behandlung verschiedener gastrointestinaler Erkrankungen eingesetzt. Mehrere Studien haben über die antagonistische Wirkung von EcN gegenüber enterohämorrhagischer E. coli (EHEC) sowohl in vitro als auch in vivo berichtet. Detaillierte Untersuchungen zu den probiotischen Mechanismen und Sicherheitsaspekten von EcN sind jedoch Voraussetzung für eine mögliche Verabreichung von EcN zur Behandlung von EHEC-infizierten Patienten oder für die Verwendung von EcN als Prophylaxe für den engsten Umkreis der infizierten Patienten. In dieser Hinsicht zielte der erste Teil dieser Studie darauf ab, die Natur und das Verhalten von EcN in Gegenwart von pathogenen oder nicht-pathogenen Bakterienstämmen zu verstehen. Zu diesem Zweck wurden die Veränderungen im Transkriptom von EcN nach verschiedenen Zeitpunkten der Co-Kultur mit dem EHEC-Stamm EDL933 oder dem K-12 Stamm MG1655 untersucht. Die Transkriptomdaten zeigten eine stammspezifische Reaktion von EcN zu allen untersuchten Zeitpunkten (3 h, 5 h, 7 h und 8 h) der Co-Inkubation. Die Veränderungen in der Genregulation von EcN waren zu den primären Zeitpunkten der Co-Kultur mit EDL933 (3 h und 5 h) sehr ausgeprägt und nahmen im Laufe der Zeit allmählich ab. Während der Co-Kultur mit MG1655 hingegen, kam es erst zu späteren Zeitpunkten zu einer starken Veränderung in der Genregulation (7 h und 8 h). Diese einzigartige transkriptionelle Reaktion von EcN auf zwei verschiedene E. coli Stämme, die genetisch zu mehr als 98 % identisch sind, war verblüffend. Diese Eigenschaft von EcN kann als vorteilhaft gegenüber einem chemisch-pharmazeutischen Präparat wie einem Antibiotikum angesehen werden, welches auf alle Zielzellen identisch wirken könnte. Bakteriophagen sind einer der häufigsten Bestandteile der Darm Mikrobiota. Durch die Infektion eines probiotischen Stammes mit einem lysogenen Phagen ist es möglich, dass genetisches Material, das für pathogene Faktoren oder Antibiotikaresistenzen kodiert, übertragen wird und das Probiotikum dadurch zu einem virulent pathogenen Bakterium umgewandelt wird. Darüber hinaus könnte die Infektion durch einen lytischen Phagen zur Lyse des Probiotikums führen wodurch seine probiotische Wirkung unterbunden werden würde. Für eine erfolgreiche Besiedlung des Darms ist es daher für Probiotika entscheidend gegenüber Phagen Infektionen resistent zu sein. Um dieses Problem anzugehen, wurde im zweiten Teil der Studie die Phagen Resistenz von EcN gegenüber dem lysogenen Phagen Lambda und dem lytischen Phagen T4 untersucht. EcN zeigte eine vollständige Resistenz gegenüber den getesteten Phagen und konnte darüber hinaus die Phagen während der Co-Inkubation inaktivieren. Bei den Lambda-Phagen konnte die Resistenz auf das Vorhandensein eines Lambda-Prophagen (Prophage 3) im Genom von EcN zurückgeführt werden. Dies wurde durch das Ergebnis, dass die Überexpression eines der frühen Gene von EcNs Prophagen 3 (dem Phagen-Repressor pr) im Phagen sensitiven K-12 Stamm MG1655 zu einem partiellen Schutz gegenüber einer Lambda-Phagen Infektion führte, gestützt. Die Inaktivierung der Lambda-Phagen hingegen wurde durch die Bindung der Phagen an EcNs Rezeptor LamB vermittelt. Experimente mit lytischen T4-Phagen konnten aufzeigen, dass die K5-Polysaccharid Kapsel von EcN entscheidend für seine T4-Phagenresistenz ist, EcNs Lipopolysaccharid (LPS) wiederum die T4-Phagen inaktiviert. Abgesehen davon, dass EcN sich selbst vor Phagen Infektionen schützt, konnte gezeigt werden, dass EcN eine Phagen initiierte Lysogenie oder Lyse der getesteten K-12-Stämme verhindert. Zusammenfassend hebt diese Arbeit zwei neue positive Eigenschaften des probiotischen Stammes EcN hervor: i) die stammspezifische Reaktion, die sich aus der globalen Transkriptomanalyse von EcN während der Inkubation mit anderen E. coli-Stämmen ergab, und ii) die lytische und lysogene Phagenresistenz. Beide Merkmale sind zusätzliche Sicherheitsaspekte eines bereits gut charakterisierten probiotischen Stammes und unterstützen seine therapeutische Anwendung.…