TY  - THES
A1  - Sarlet, Adrien
T1  - Tuning the viscoelasticity of Escherichia coli biofilms
T1  - Abstimmung der Viskoelastizität von Escherichia coli-Biofilmen
BT  - interplay between extrinsic and intrinsic factors
BT  - Wechselspiel zwischen extrinsischen und intrinsischen Faktoren
N2  - Biofilms are heterogeneous structures made of microorganisms embedded in a self-secreted extracellular matrix. Recently, biofilms have been studied as sustainable living materials with a focus on the tuning of their mechanical properties. One way of doing so is to use metal ions. In particular biofilms have been shown to stiffen in presence of some metal cations and to soften in presence of others. However, the specificity and the determinants of those interactions vary between species. While Escherichia coli is a widely studied model organism, little is known concerning the response of its biofilms to metal ions. In this work, we aimed at tuning the mechanics of E. coli biofilms by acting on the interplay between matrix composition and metal cations. To do so, we worked with E. coli strains producing a matrix composed of curli amyloid fibres or phosphoethanolamine-cellulose (pEtN-cellulose) fibres or both. The viscoelastic behaviour of the resulting biofilms was investigated with rheology after incubation with one of the following metal ion solutions: FeCl3, AlCl3, ZnCl2 and CaCl2 or ultrapure water. We observed that the strain producing both fibres stiffen by a factor of two when exposed to the trivalent metal cations Al(III) and Fe(III) while no such response is observed for the bivalent cations Zn(II) and Ca(II). Strains producing only one matrix component did not show any stiffening in response to either cation, but even a small softening. In order to investigate further the contribution of each matrix component to the mechanical properties, we introduced additional bacterial strains producing curli fibres in combination with non-modified cellulose, non-modified cellulose only or neither component. We measured biofilms produced by those different strains with rheology and without any solution. Since rheology does not preserve the architecture of the matrix, we compared those results to the mechanical properties of biofilms probed with the non-destructive microindentation. The microindentation results showed that biofilm stiffness is mainly determined by the presence of curli amyloid fibres in the matrix. However, this clear distinction between biofilm matrices containing or not containing curli is absent from the rheology results, i.e. following partial destruction of the matrix architecture. In addition, rheology also indicated a negative impact of curli on biofilm yield stress and flow stress. This suggests that curli fibres are more brittle and therefore more affected by the mechanical treatments. Finally, to examine the molecular interactions between the biofilms and the metal cations, we used Attenuated total reflectance - Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) to study the three E.coli strains producing a matrix composed of curli amyloid fibres, pEtN-cellulose fibres or both. We measured biofilms produced by those strains in presence of each of the aforementioned metal cation solutions or ultrapure water. We showed that the three strains cannot be distinguished based on their FTIR spectra and that metal cations seem to have a non-specific effect on bacterial membranes in absence of pEtN-cellulose. We subsequently conducted similar experiments on purified curli or pEtN-cellulose fibres. The spectra of the pEtN-cellulose fibres revealed a non-valence-specific interaction between metal cations and the phosphate of the pEtN-modification. Altogether, these results demonstrate that the mechanical properties of E. coli biofilms can be tuned via incubation with metal ions. While the mechanism involving curli fibres remains to be determined, metal cations seem to adsorb onto pEtN-cellulose and this is not valence-specific. This work also underlines the importance of matrix architecture to biofilm mechanics and emphasises the specificity of each matrix composition.
N2  - Biofilme sind heterogene Strukturen aus Mikroorganismen, die in eine selbst-abgesonderte extrazelluläre Matrix eingebettet sind. In letzter Zeit wurden Biofilme als nachhaltige lebende Materialien untersucht, mit dem Ziel ihre mechanischen Eigenschaften zu modifizieren. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist die Verwendung von Metallionen. Es hat sich gezeigt, dass Biofilme in Gegenwart einiger Metallkationen steifer und in Gegenwart anderer weicher werden. Die Spezifität und die Bestimmungsfaktoren dieser Wechselwirkungen sind jedoch je nach Spezies unterschiedlich. Obwohl Escherichia coli ein weithin untersuchter Modellorganismus ist, ist wenig über den Einfluss von Metallionen auf die Eigenschaften von E. coli-Biofilmen bekannt. Ziel dieser Arbeit war, die mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen durch Beeinflussung des Zusammenspiels von Matrixzusammensetzung und Metallkationen zu untersuchen und zu verändern. Zu diesem Zweck wurden E. coli-Stämme verwendet, die eine Matrix aus Curli-Fasern oder Phosphoethanolamin-modifizierter Zellulose (pEtN-Zellulose) oder aus beiden produzieren. Das viskoelastische Verhalten der resultierenden Biofilme wurde nach Inkubation mit einer der folgenden Metallsalzlösungen (oder Reinstwasser) rheologisch untersucht: FeCl3, AlCl3, ZnCl2 und CaCl2. Es zeigte sich, dass die Steifigkeit von Biofilmen des Stammes, der beide Fasern produziert, um das Doppelte höher ist, wenn sie den dreiwertigen Metallkationen Al(III) und Fe(III) ausgesetzt werden. Im Gegensatz dazu konnte keine derartige Veränderung der Steifigkeit beobachtet werden, wenn stattdessen die zweiwertigen Kationen Zn(II) und Ca(II) zugesetzt wurden. Stämme, die nur eine Matrixkomponente produzieren, zeigten keine Versteifung in Gegenwart von Kationen, sondern sogar eine geringe Erweichung. Um den Beitrag der einzelnen Matrixkomponenten zu den mechanischen Eigenschaften weiter zu untersuchen, wurden weitere Bakterienstämme mit den bereits genannten verglichen. Diese Stämme produzieren entweder Curli-Fasern in Kombination mit nicht modifizierter Zellulose, ausschließlich nicht modifizierte Zellulose oder keine der beiden Komponenten. Die resultierenden Biofilme wurden ohne den Zusatz von Salzlösung rheologisch charakterisiert. Da die Matrixarchitektur bei Rheologiemessungen zerstört wird, wurden die Biofilme ebenfalls mit Mikroindentation untersucht, welche mit intakten Biofilmen durchgeführt werden kann. Die Ergebnisse der Mikroindentation zeigen, dass die Steifigkeit der Biofilme hauptsächlich durch das Vorhandensein von Curli-Fasern bestimmt wird. Diese klare Unterscheidung der mechanischen Eigenschaften zwischen Biofilmmatrices mit und ohne Curli ist jedoch in den rheologischen Ergebnissen nicht erkennbar, d. h. nach teilweiser Zerstörung der Matrixarchitektur. Darüber hinaus zeigte die Rheologie eine niedrigere Fließspannung für Biofilme, die Curli enthalten. In der Kombination deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Curli-Fasern spröder und daher stärker von der mechanischen Behandlung betroffen sind. Um die molekularen Wechselwirkungen zwischen der Biofilm-Matrix und Metallkationen zu untersuchen, wurden die drei E. coli-Stämme, die eine Matrix aus Curli-Fasern, pEtN-Zellulose oder beidem bilden, mit abgeschwächter Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (ATR-FTIR) charakterisiert. Die von diesen Stämmen produzierten Biofilme wurden in Gegenwart jeder der oben genannten Metallsalzlösungen und in Reinstwasser untersucht. Es wurde gezeigt, dass die drei Stämme anhand ihrer FTIR-Spektren nicht unterschieden werden können und dass in Abwesenheit von pEtN-Zellulose eine mögliche unspezifische Wirkung auf bakterielle Membranen besteht. Ähnliche Experimente mit gereinigten Curli-Fasern oder pEtN-Zellulose deuten darauf hin, dass Metallkationen in erster Linie eine nicht-valenzspezifische Wechselwirkung mit der Phosphatgruppe der pEtN-Modifikation eingehen. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen durch Inkubation mit Metallkationen modifiziert werden können. Während die Mechanismen, an denen Curli-Fasern beteiligt sind, noch nicht aufgeklärt sind, scheinen Metallkationen an pEtN-Zellulose zu adsorbieren. Diese Arbeit unterstreicht auch die Bedeutung der Matrixarchitektur für die Mechanik von Biofilmen und verdeutlicht die Wichtigkeit der jeweiligen Matrixzusammensetzung für die Spezifität und das Ausmaß der beobachteten Effekte.
KW  - E. coli
KW  - biofilm
KW  - metal cation
KW  - matrix
KW  - viscoelasticity
KW  - E. coli
KW  - Biofilm
KW  - Metallkation
KW  - Matrix
KW  - Viskoelastizität
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ziege, Ricardo
T1  - Growth dynamics and mechanical properties of E. coli biofilms
T1  - Wachstumsdynamik und mechanische Eigenschaften von E. coli Biofilmen
N2  - Biofilms are complex living materials that form as bacteria get embedded in a matrix of self-produced protein and polysaccharide fibres. The formation of a network of extracellular biopolymer fibres contributes to the cohesion of the biofilm by promoting cell-cell attachment and by mediating biofilm-substrate interactions. This sessile mode of bacteria growth has been well studied by microbiologists to prevent the detrimental effects of biofilms in medical and industrial settings. Indeed, biofilms are associated with increased antibiotic resistance in bacterial infections, and they can also cause clogging of pipelines or promote bio-corrosion. However, biofilms also gained interest from biophysics due to their ability to form complex morphological patterns during growth. Recently, the emerging field of engineered living materials investigates biofilm mechanical properties at multiple length scales and leverages the tools of synthetic biology to tune the functions of their constitutive biopolymers.  
This doctoral thesis aims at clarifying how the morphogenesis of Escherichia coli (E. coli) biofilms is influenced by their growth dynamics and mechanical properties. To address this question, I used methods from cell mechanics and materials science. I first studied how biological activity in biofilms gives rise to non-uniform growth patterns. In a second study, I investigated how E. coli biofilm morphogenesis and its mechanical properties adapt to an environmental stimulus, namely the water content of their substrate. Finally, I estimated how the mechanical properties of E. coli biofilms are altered when the bacteria express different extracellular biopolymers.
On nutritive hydrogels, micron-sized E. coli cells can build centimetre-large biofilms. During this process, bacterial proliferation and matrix production introduce mechanical stresses in the biofilm, which release through the formation of macroscopic wrinkles and delaminated buckles. To relate these biological and mechanical phenomena, I used time-lapse fluorescence imaging to track cell and matrix surface densities through the early and late stages of E. coli biofilm growth. Colocalization of high cell and matrix densities at the periphery precede the onset of mechanical instabilities at this annular region. Early growth is detected at this outer annulus, which was analysed by adding fluorescent microspheres to the bacterial inoculum. But only when high rates of matrix production are present in the biofilm centre, does overall biofilm spreading initiate along the solid-air interface. By tracking larger fluorescent particles for a long time, I could distinguish several kinematic stages of E. coli biofilm expansion and observed a transition from non-linear to linear velocity profiles, which precedes the emergence of wrinkles at the biofilm periphery. Decomposing particle velocities to their radial and circumferential components revealed a last kinematic stage, where biofilm movement is mostly directed towards the radial delaminated buckles, which verticalize. The resulting compressive strains computed in these regions were observed to substantially deform the underlying agar substrates. The co-localization of higher cell and matrix densities towards an annular region and the succession of several kinematic stages are thus expected to promote the emergence of mechanical instabilities at the biofilm periphery. These experimental findings are predicted to advance future modelling approaches of biofilm morphogenesis. 
E. coli biofilm morphogenesis is further anticipated to depend on external stimuli from the environment. To clarify how the water could be used to tune biofilm material properties, we quantified E. coli biofilm growth, wrinkling dynamics and rigidity as a function of the water content of the nutritive substrates. Time-lapse microscopy and computational image analysis revealed that substrates with high water content promote biofilm spreading kinetics, while substrates with low water content promote biofilm wrinkling. The wrinkles observed on biofilm cross-sections appeared more bent on substrates with high water content, while they tended to be more vertical on substrates with low water content. Both wet and dry biomass, accumulated over 4 days of culture, were larger in biofilms cultured on substrates with high water content, despite extra porosity within the matrix layer. Finally, the micro-indentation analysis revealed that substrates with low water content supported the formation of stiffer biofilms. This study shows that E. coli biofilms respond to the water content of their substrate, which might be used for tuning their material properties in view of further applications.
Biofilm material properties further depend on the composition and structure of the matrix of extracellular proteins and polysaccharides. In particular, E. coli biofilms were suggested to present tissue-like elasticity due to a dense fibre network consisting of amyloid curli and phosphoethanolamine-modified cellulose. To understand the contribution of these components to the emergent mechanical properties of E. coli biofilms, we performed micro-indentation on biofilms grown from bacteria of several strains. Besides showing higher dry masses, larger spreading diameters and slightly reduced water contents, biofilms expressing both main matrix components also presented high rigidities in the range of several hundred kPa, similar to biofilms containing only curli fibres. In contrast, a lack of amyloid curli fibres provides much higher adhesive energies and more viscoelastic fluid-like material behaviour. Therefore, the combination of amyloid curli and phosphoethanolamine-modified cellulose fibres implies the formation of a composite material whereby the amyloid curli fibres provide rigidity to E. coli biofilms, whereas the phosphoethanolamine-modified cellulose rather acts as a glue. These findings motivate further studies involving purified versions of these protein and polysaccharide components to better understand how their interactions benefit biofilm functions. 
All three studies depict different aspects of biofilm morphogenesis, which are interrelated. The first work reveals the correlation between non-uniform biological activities and the emergence of mechanical instabilities in the biofilm. The second work acknowledges the adaptive nature of E. coli biofilm morphogenesis and its mechanical properties to an environmental stimulus, namely water. Finally, the last study reveals the complementary role of the individual matrix components in the formation of a stable biofilm material, which not only forms complex morphologies but also functions as a protective shield for the bacteria it contains. Our experimental findings on E. coli biofilm morphogenesis and their mechanical properties can have further implications for fundamental and applied biofilm research fields.
N2  - Biofilme sind komplexe lebende Materialien, die sich bilden, wenn Bakterien in eine Matrix aus selbstproduzierten Protein- und Polysaccharidfasern eingebettet werden. Die Bildung eines Netzwerks aus extrazellulären Biopolymerfasern trägt zum Zusammenhalt des Biofilms bei, indem sie die Zell-Zell-Anhaftung fördert und die Wechselwirkungen zwischen Biofilm und Substrat vermittelt. Diese sessile Form des Bakterienwachstums wurde von Mikrobiologen eingehend untersucht, um die schädlichen Auswirkungen von Biofilmen in der Medizin und Industrie zu verhindern. Biofilme werden nämlich mit einer erhöhten Antibiotikaresistenz bei bakteriellen Infektionen in Verbindung gebracht, und sie können auch zur Verstopfung von Rohrleitungen führen oder Biokorrosion fördern. Biofilme sind jedoch auch für die Biophysik von Interesse, da sie während ihres Wachstums komplexe morphologische Muster bilden können. In jüngster Zeit werden auf dem aufstrebenden Gebiet der künstlich hergestellten lebenden Materialien die mechanischen Eigenschaften von Biofilmen auf verschiedenen Längenskalen untersucht und die Werkzeuge der synthetischen Biologie genutzt, um die Funktionen ihrer konstitutiven Biopolymere zu beeinflussen.  
In dieser Doktorarbeit soll geklärt werden, wie die Morphogenese von Escherichia coli (E. coli)-Biofilmen durch deren Wachstumsdynamik und mechanische Eigenschaften beeinflusst wird. Um dieser Frage nachzugehen, habe ich Methoden aus der Zellmechanik und der Materialwissenschaft verwendet. Zunächst habe ich untersucht, wie die biologische Aktivität in Biofilmen zu ungleichmäßigen Wachstumsmustern führt. In einer zweiten Studie untersuchte ich, wie sich die Morphogenese von E. coli-Biofilmen und ihre mechanischen Eigenschaften an einen Umweltstimulus, nämlich den Wassergehalt des Substrats, anpassen. Schließlich habe ich abgeschätzt, wie sich die mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen verändern, wenn die Bakterien verschiedene extrazelluläre Biopolymere exprimieren.
Auf nährstoffhaltigen Hydrogelen können mikrometergroße E. coli-Zellen zentimetergroße Biofilme bilden. Während dieses Prozesses führen die bakterielle Vermehrung und die Matrixproduktion zu mechanischen Spannungen im Biofilm, die sich durch die Bildung von makroskopischen Falten und delaminierten Knicken entladen. Um diese biologischen und mechanischen Phänomene miteinander in Beziehung zu setzen, habe ich mit Hilfe von Zeitraffer-Fluoreszenzaufnahmen die Zell- und Matrixoberflächendichte in den frühen und späten Phasen des E. coli-Biofilmwachstums verfolgt. Die Kolokalisierung hoher Zell- und Matrixdichten an der Peripherie geht dem Auftreten mechanischer Instabilitäten in diesem ringförmigen Bereich voraus. An diesem äußeren Ring wird ein frühes Wachstum festgestellt, das durch Zugabe von fluoreszierenden Mikrokugeln zum bakteriellen Inokulum analysiert wurde. Aber nur wenn im Zentrum des Biofilms hohe Raten der Matrixproduktion vorhanden sind, beginnt die Ausbreitung des gesamten Biofilms entlang der Feststoff-Luft-Grenzfläche. Indem ich größere fluoreszierende Partikel über einen längeren Zeitraum verfolgte, konnte ich mehrere kinematische Stadien der E. coli-Biofilmexpansion unterscheiden und einen Übergang von nichtlinearen zu linearen Geschwindigkeitsprofilen beobachten, der dem Auftreten von Falten an der Biofilmperipherie vorausgeht. Die Zerlegung der Partikelgeschwindigkeiten in ihre radialen und umlaufenden Komponenten ergab ein letztes kinematisches Stadium, in dem die Bewegung des Biofilms hauptsächlich auf die radialen delaminierten Knicke gerichtet ist, die sich vertikalisieren. Die in diesen Regionen berechneten Druckspannungen verformen die darunter liegenden Agarsubstrate erheblich. Die gleichzeitige Ansammlung höherer Zell- und Matrixdichten in einer ringförmigen Region und die Abfolge mehrerer kinematischer Stadien dürften somit das Entstehen mechanischer Instabilitäten an der Biofilm-Peripherie fördern. Diese experimentellen Ergebnisse werden voraussichtlich zukünftige Modellierungsansätze der Biofilmmorphogenese voranbringen. 
Die Morphogenese des E. coli-Biofilms wird voraussichtlich auch von externen Stimuli aus der Umwelt abhängen. Um zu klären, wie das Wasser zur Einstellung der Materialeigenschaften von Biofilmen genutzt werden könnte, haben wir das Wachstum, die Faltenbildung und die Steifigkeit von E. coli-Biofilmen in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Nährsubstrate quantifiziert. Zeitraffermikroskopie und computergestützte Bildanalyse zeigten, dass Substrate mit hohem Wassergehalt die Ausbreitungskinetik des Biofilms fördern, während Substrate mit niedrigem Wassergehalt die Faltenbildung des Biofilms begünstigen. Die auf Biofilm-Querschnitten beobachteten Falten erschienen auf Substraten mit hohem Wassergehalt stärker gebogen, während sie auf Substraten mit niedrigem Wassergehalt eher vertikal verliefen. Sowohl die feuchte als auch die trockene Biomasse, die während der 4-tägigen Kultur akkumuliert wurde, war in Biofilmen, die auf Substraten mit hohem Wassergehalt gezüchtet wurden, größer, trotz der zusätzlichen Porosität innerhalb der Matrixschicht. Schließlich ergab die Mikroindentationsanalyse, dass Substrate mit niedrigem Wassergehalt die Bildung von steiferen Biofilmen begünstigten. Diese Studie zeigt, dass E. coli-Biofilme auf den Wassergehalt ihres Substrats reagieren, was für die Abstimmung ihrer Materialeigenschaften im Hinblick auf weitere Anwendungen genutzt werden könnte.
Die Materialeigenschaften von Biofilmen hängen außerdem von der Zusammensetzung und Struktur der Matrix aus extrazellulären Proteinen und Polysacchariden ab. Insbesondere wurde vermutet, dass E. coli-Biofilme aufgrund eines dichten Fasernetzwerks aus Amyloid-Curli und Phosphoethanolamin-modifizierter Cellulose eine gewebeähnliche Elastizität aufweisen. Um den Beitrag dieser Komponenten zu den entstehenden mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen zu verstehen, führten wir an Biofilmen, die aus Bakterien verschiedener Stämme gewachsen waren, Mikroeindrücke durch. Biofilme, die beide Hauptmatrixkomponenten enthalten, wiesen nicht nur eine höhere Trockenmasse, einen größeren Ausbreitungsdurchmesser und einen leicht verringerten Wassergehalt auf, sondern auch eine hohe Steifigkeit im Bereich von mehreren hundert kPa, ähnlich wie Biofilme, die nur Curli-Fasern enthalten. Das Fehlen von Amyloid-Curli-Fasern führt dagegen zu deutlich höheren Adhäsionsenergien und einem viskoelastischeren, flüssigkeitsähnlichen Materialverhalten. Die Kombination von Amyloid-Curli-Fasern und Phosphoethanolamin-modifizierten Cellulosefasern impliziert daher die Bildung eines Verbundmaterials, bei dem die Amyloid-Curli-Fasern den E. coli-Biofilmen Steifigkeit verleihen, während die Phosphoethanolamin-modifizierte Cellulose eher als Klebstoff wirkt. Diese Ergebnisse motivieren zu weiteren Studien mit gereinigten Versionen dieser Protein- und Polysaccharidkomponenten, um besser zu verstehen, wie ihre Interaktionen die Funktionen des Biofilms unterstützen. 
Alle drei Studien zeigen verschiedene Aspekte der Biofilm-Morphogenese, die miteinander verbunden sind. Die erste Arbeit zeigt den Zusammenhang zwischen ungleichmäßigen biologischen Aktivitäten und dem Auftreten mechanischer Instabilitäten im Biofilm auf. Die zweite Arbeit bestätigt die Anpassungsfähigkeit der Morphogenese des E. coli-Biofilms und seiner mechanischen Eigenschaften an einen Umweltreiz, nämlich Wasser. Die letzte Studie schließlich zeigt die komplementäre Rolle der einzelnen Matrixkomponenten bei der Bildung eines stabilen Biofilmmaterials, das nicht nur komplexe Morphologien bildet, sondern auch als Schutzschild für die darin enthaltenen Bakterien fungiert. Unsere experimentellen Erkenntnisse über die Morphogenese von E. coli-Biofilmen und ihre mechanischen Eigenschaften können weitere Auswirkungen auf grundlegende und angewandte Biofilm-Forschungsbereiche haben.
KW  - biofilm
KW  - E. coli
KW  - living materials
KW  - mechanobiology
KW  - E. coli
KW  - Biofilm
KW  - lebende Materialien
KW  - Mechanobiologie
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559869
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kang, Mi-Sun
A1  - Lim, Hae-Soon
A1  - Oh, Jong-Suk
A1  - Lim, You-jin
A1  - Wuertz-Kozak, Karin
A1  - Harro, Janette M.
A1  - Shirtliff, Mark E.
A1  - Achermann, Yvonne
T1  - Antimicrobial activity of Lactobacillus salivarius and Lactobacillus fermentum against Staphylococcus aureus
JF  - Pathogens and disease / Federation of European Microbiology Societies
N2  - The increasing prevalence of methicillin-resistant Staphylococcus aureus has become a major public health threat. While lactobacilli were recently found useful in combating various pathogens, limited data exist on their therapeutic potential for S. aureus infections. The aim of this study was to determine whether Lactobacillus salivarius was able to produce bactericidal activities against S. aureus and to determine whether the inhibition was due to a generalized reduction in pH or due to secreted Lactobacillus product(s). We found an 8.6-log10 reduction of planktonic and a 6.3-log10 reduction of biofilm S. aureus. In contrast, the previously described anti-staphylococcal effects of L. fermentum only caused a 4.0-log10 reduction in planktonic S. aureus cells, with no effect on biofilm S. aureus cells. Killing of S. aureus was partially pH dependent, but independent of nutrient depletion. Cell-free supernatant that was pH neutralized and heat inactivated or proteinase K treated had significantly reduced killing of L. salivarius than with pH-neutralized supernatant alone. Proteomic analysis of the L. salivarius secretome identified a total of five secreted proteins including a LysM-containing peptidoglycan binding protein and a protein peptidase M23B. These proteins may represent potential novel anti-staphylococcal agents that could be effective against S. aureus biofilms.
KW  - antibacterial activity
KW  - biofilm
KW  - Lactobacillus fermentum
KW  - Lactobacillus salivarius
KW  - LysM
KW  - Staphylococcus aureus
Y1  - 2017
U6  - https://doi.org/10.1093/femspd/ftx009
SN  - 2049-632X
VL  - 75
IS  - 2
PB  - Oxford Univ. Press
CY  - Oxford
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Awan, Asad Bashir
A1  - Schiebel, Juliane
A1  - Boehm, Alexander
A1  - Nitschke, Joerg
A1  - Sarwar, Yasra
A1  - Schierack, Peter
A1  - Ali, Aamir
T1  - Association of biofilm formation and cytotoxic potential with multidrug resistance in clinical isolates of pseudomonas  aeruginosa
JF  - EXCLI Journal
N2  - Multidrug resistant (MDR) Pseudomonas aeruginosa having strong biofilm potential and virulence factors are a serious threat for hospitalized patients having compromised immunity In this study, 34 P. aeruginosa isolates of human origin (17 MDR and 17 non-MDR clinical isolates) were checked for biofilm formation potential in enriched and minimal media. The biofilms were detected using crystal violet method and a modified software package of the automated VideoScan screening method. Cytotoxic potential of the isolates was also investigated on HepG2, LoVo and T24 cell lines using automated VideoScan technology. Pulse field gel electrophoresis revealed 10 PFGE types in MDR and 8 in non-MDR isolates. Although all isolates showed biofilm formation potential, strong biofilm formation was found more in enriched media than in minimal media. Eight MDR isolates showed strong biofilm potential in both enriched and minimal media by both detection methods. Strong direct correlation between crystal violet and VideoScan methods was observed in identifying strong biofilm forming isolates. High cytotoxic effect was observed by 4 isolates in all cell lines used while 6 other isolates showed high cytotoxic effect on T24 cell line only. Strong association of multidrug resistance was found with biofilm formation as strong biofilms were observed significantly higher in MDR isolates (p-value < 0.05) than non-MDR isolates. No significant association of cytotoxic potential with multidrug resistance or biofilm formation was found (p-value > 0.05). The MDR isolates showing significant cytotoxic effects and strong biofilm formation impose a serious threat for hospitalized patients with weak immune system.
KW  - Pseudomonas aeruginosa
KW  - multidrug resistance
KW  - biofilm
KW  - cytotoxicity
KW  - VideoScan technology
Y1  - 2019
U6  - https://doi.org/10.17179/excli2018-1948
SN  - 1611-2156
VL  - 18
SP  - 79
EP  - 90
PB  - Leibniz Research Centre for Working Environment and Human Factors
CY  - Dortmund
ER  - 
TY  - THES
A1  - Irmscher, Tobias
T1  - Enzymatic remodelling of the exopolysaccharide stewartan network
BT  - implications for the diffusion of nano-sized objects
BT  - Implikationen für die Diffusion von nanogroßen Objekte
N2  - In nature, bacteria are found to reside in multicellular communities encased in self-produced extracellular matrices. Indeed, biofilms are the default lifestyle of the bacteria which cause persistent infections in humans. The biofilm assembly protects bacterial cells from desiccation and limits the effectiveness of antimicrobial treatments. A myriad of biomolecules in the extracellular matrix, including proteins, exopolysaccharides, lipids, extracellular DNA and other, form a dense and viscoelastic three dimensional network. Many studies emphasized that a destabilization of the mechanical integrity of biofilm architectures potentially eliminates the protective shield and renders bacteria more susceptible to the immune system and antibiotics. Pantoea stewartii is a plant pathogen which infects monocotyledons such as maize and sweet corn. These bacteria produce dense biofilms in the xylem of infected plants which cause wilting of plants and crops. Stewartan is an exopolysaccharide which is produced by Pantoea stewartii and secreted as the major component to the extracellular matrix. It consists of heptasaccharide repeating units with a high degree of polymerization (2-4 MDa). In this work, the physicochemical properties of stewartan were investigated to understand the contributions of this exopolysaccharide to the mechanical integrity and cohesiveness of Pantoea stewartii biofilms. Therefore, a coarse-grained model of stewartan was developed with computational techniques to obtain a model for its three dimensional structural features. Here, coarse-grained molecular dynamic simulations revealed that the exopolysaccharide forms a hydrogel in which the exopolysaccharide chains arrange into a three dimensional mesh-like network. Simulations at different concentrations were used to investigate the influence of the water content on the network formation. Stewartan was further purified from 72 h grown Pantoea stewartii biofilms and the diffusion of bacteriophage and differently-sized nanoparticles (which ranged from 1.1 to 193 nm diameter) was analyzed in reconstituted stewartan solutions. Fluorescence correlation spectroscopy and single-particle tracking revealed that the stewartan network impeded the mobility of a set of differently-sized fluorescent particles in a size-dependent manner. Diffusion of these particles became more anomalous, as characterized by fitting the diffusion data to an anomalous diffusion model, with increasing stewartan concentrations. Further bulk and microrheological experiments were used to analyze the transitions in stewartan fluid behavior and stewartan chain entanglements were described. Moreover, it was noticed, that a small fraction of bacteriophage particles was trapped in small-sized pores deviating from classical random walks which highlighted the structural heterogeneity of the stewartan network. Additionally, the mobility of fluorescent particles 
also depended on the charge of the stewartan exopolysaccharide and a model of a molecular sieve for the stewartan network was proposed. The here reported structural features of the stewartan polymers were used to provide a detailed description of the mechanical properties of typically glycan-based biofilms such as the one from Pantoea stewartii. 
In addition, the mechanical properties of the biofilm architecture are permanently sensed by the embedded bacteria and enzymatic modifications of the extracellular matrix take place to address environmental cues. Hence, in this work the influence of enzymatic degradation of the stewartan exopolysaccharides on the overall exopolysaccharide network structure was analyzed to describe relevant physiological processes in Pantoea stewartii biofilms. Here, the stewartan hydrolysis kinetics of the tailspike protein from the ΦEa1h bacteriophage, which is naturally found to infect Pantoea stewartii cells, was compared to WceF. The latter protein is expressed from the Pantoea stewartii stewartan biosynthesis gene cluster wce I-III. The degradation of stewartan by the ΦEa1h tailspike protein was shown to be much faster than the hydrolysis kinetics of WceF, although both enzymes cleaved the β D GalIII(1→3)-α-D-GalI glycosidic linkage from the stewartan backbone. Oligosaccharide fragments which were produced during the stewartan cleavage, were analyzed in size-exclusion chromatography and capillary electrophoresis. Bioinformatic studies and the analysis of a WceF crystal structure revealed a remarkably high structural similarity of both proteins thus unveiling WceF as a bacterial tailspike-like protein. As a consequence, WceF might play a role in stewartan chain length control in Pantoea stewartii biofilms.
N2  - In der Natur lagern sich Bakterien zu großen und komplexen Gemeinschaften zusammen, die als Biofilme bezeichnet werden. Diese multizellulären Biofilme sind der Ursprung vieler langlebiger und gefährlicher Infektionskrankheiten. Die bakteriellen Zellen produzieren und umgeben sich mit einen biofilm-spezifischen Schleim, der aus einer Unzahl von Biomolekülen, wie z.B. Exopolysaccharide, Lipide und extrazelluläre DNA, besteht. Diese Biofilmarchitektur schützt Bakterien vor Austrocknung und begrenzen die Wirksamkeit von antimikrobiellen Wirkstoffen (z.B. Antibiotika). Viele Studien haben gezeigt, dass die Destabilisierung der mechanischen Festigkeit des Biofilmapparates eine neue Behandlungsstrategie darstellt, in der das bakterielle Schutzschild eliminiert wird, sodass die Zellen wieder anfälliger gegenüber dem menschlichen Immunsystem oder Antibiotika werden.
Pantoea stewartii ist ein Pflanzenpathogen, welches Mais und Süßmais befällt. Diese Bakterien produzieren Biofilme im Inneren der Pflanze, sodass der freie Wassertransport gestört wird. Daraufhin verwelken die Blätter und Früchte. In dieser Arbeit wurde das Exopolysaccharid Stewartan untersucht, welches lange Ketten ausbildet und als häufigste Komponente in den Biofilmen von Pantoea stewartii vorkommt. Dabei wurden die mechanischen Eigenschaften von Stewartan untersucht, um zu verstehen, wie diese den Biofilm beeinflussen. Dafür wurde eine Lösung aus mehreren Stewartan Molekülen computergestützt simuliert. Hierbei konnte beobachtet werden, dass die Stewartan Ketten ein dreidimensionales Netzwerk ausbilden, welches Poren aufweist. Außerdem wurde Stewartan aus Pantoea stewartii Biofilmen isoliert und die Diffusion von verschieden großen Nanopartikeln in dem Exopolysaccharidnetzwerk untersucht. Je höher die Stewartankonzentration war, desto mehr wurde die Diffusion der Nanopartikeln abgebremst. Außerdem wurden große Partikel stärker von dem Netzwerk zurückgehalten. Diese Untersuchungen wurden auf die Diffusion von Bakteriophagen, das sind Viren, die spezifisch Bakterien infizieren, ausgeweitet. Infolgedessen wurde gezeigt, dass Bakteriophagen in kleine Stewartanporen feststecken können. Die Diffusion all dieser Partikeln war aber auch abhängig von der Oberflächenladung des Partikels. Folglich bildet Stewartan ein Netzwerk aus, welches ganz spezifisch den Transport von Molekülen mit bestimmten Eigenschaften unterbindet.  
Außerdem ist bekannt, dass die Bakterien in der Lage sind, die mechanischen Eigenschaften des Biofilms zu modulieren, um sie an Veränderungen in der Umgebung anzupassen. Dies geschieht über bakterielle Enzyme. Daher wurde in dieser Arbeit der enzymatische Abbau von Stewartan untersucht, der eine dramatische Änderung der Eigenschaften des Biofilms zufolge haben kann. Dabei wurde die Stewartan Spaltung durch das Enzym WceF untersucht, welches von Pantoea stewartii produziert wird. Dieses Enzym spaltete die Stewartanketten nur sehr langsamen, sodass das Stewartannetzwerk erhalten blieb. Die Ergebnisse wurden mit dem tailspike Protein verglichen, welches von dem ΦEa1h Bakteriophagen produziert wird, dem natürlichen Feind des Bakteriums. Im Gegensatz zu WceF, baute das tailspike Protein Stewartan deutlich schneller ab und die gesamte mechanische Festigkeit des Netzwerkes wurde beseitigt. Beide Enzyme, trotz der unterschiedlichen Aktivität, besitzen eine sehr ähnliche Struktur, was vermuten lässt, dass sie von einem gleichen Vorgängerprotein abstammen. In dieser Arbeit wird vorgeschlagen, dass WceF möglicherweise in der Kettenlängekontrolle von Stewartan involviert ist.
T2  - Enzymatische Remodellierung des Exopolysaccharid-Stewartan-Netzwerkes
KW  - biofilm
KW  - Pantoea stewartii
KW  - stewartan
KW  - exopolysaccharide
KW  - coarse grained molecular dynamics
KW  - microviscosity
KW  - Mikroviskosität
KW  - coarse grained Molekulardynamiken
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472486
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Seiler, Claudia
A1  - van Velzen, Ellen
A1  - Neu, Thomas R.
A1  - Gaedke, Ursula
A1  - Berendonk, Thomas U.
A1  - Weitere, Markus
T1  - Grazing resistance of bacterial biofilms: a matter of predators’ feeding  trait
JF  - FEMS microbiology ecology
N2  - Biofilm formation in bacteria is considered to be one strategy to avoid protozoan grazing. However, this assumption is largely based on experiments with suspension-feeding protozoans. Here we test the hypothesis that grazing resistance depends on both the grazers’ feeding trait and the bacterial phenotype, rather than being a general characteristic of bacterial biofilms. We combined batch experiments with mathematical modelling, considering the bacterium Pseudomonas putida and either a suspension-feeding (i.e. the ciliate Paramecium tetraurelia) or a surface-feeding grazer (i.e. the amoeba Acanthamoeba castellanii). We find that both plankton and biofilm phenotypes were consumed, when exposed to their specialised grazer, whereas the other phenotype remained grazing-resistant. This was consistently shown in two experiments (starting with either only planktonic bacteria or with additional pre-grown biofilms) and matches model predictions. In the experiments, the plankton feeder strongly stimulated the biofilm biomass. This stimulation of the resistant prey phenotype was not predicted by the model and it was not observed for the biofilm feeders, suggesting the existence of additional mechanisms that stimulate biofilm formation besides selective feeding. Overall, our results confirm our hypothesis that grazing resistance is a matter of the grazers’ trait (i.e. feeding type) rather than a biofilm-specific property.
KW  - protozoa
KW  - biofilm
KW  - plankton
KW  - predator-prey model
KW  - grazing defence
KW  - feeding trait
Y1  - 2017
U6  - https://doi.org/10.1093/femsec/fix112
SN  - 0168-6496
SN  - 1574-6941
VL  - 93
PB  - Oxford Univ. Press
CY  - Oxford
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Wurzbacher, Christian
A1  - Warthmann, Norman
A1  - Bourne, Elizabeth Charlotte
A1  - Attermeyer, Katrin
A1  - Allgaier, Martin
A1  - Powell, Jeff R.
A1  - Detering, Harald
A1  - Mbedi, Susan
A1  - Großart, Hans-Peter
A1  - Monaghan, Michael T.
T1  - High habitat-specificity in fungal communities in oligo-mesotrophic, temperate Lake Stechlin (North-East Germany)
JF  - MycoKeys
N2  - Freshwater fungi are a poorly studied ecological group that includes a high taxonomic diversity. Most studies on aquatic fungal diversity have focused on single habitats, thus the linkage between habitat heterogeneity and fungal diversity remains largely unexplored. We took 216 samples from 54 locations representing eight different habitats in the meso-oligotrophic, temperate Lake Stechlin in North-East Germany. These included the pelagic and littoral water column, sediments, and biotic substrates. We performed high throughput sequencing using the Roche 454 platform, employing a universal eukaryotic marker region within the large ribosomal subunit (LSU) to compare fungal diversity, community structure, and species turnover among habitats. Our analysis recovered 1027 fungal OTUs (97% sequence similarity). Richness estimates were highest in the sediment, biofilms, and benthic samples (189-231 OTUs), intermediate in water samples (42-85 OTUs), and lowest in plankton samples (8 OTUs). NMDS grouped the eight studied habitats into six clusters, indicating that community composition was strongly influenced by turnover among habitats. Fungal communities exhibited changes at the phylum and order levels along three different substrate categories from littoral to pelagic habitats. The large majority of OTUs (> 75%) could not be classified below the order level due to the lack of aquatic fungal entries in public sequence databases. Our study provides a first estimate of lake-wide fungal diversity and highlights the important contribution of habitat heterogeneity to overall diversity and community composition. Habitat diversity should be considered in any sampling strategy aiming to assess the fungal diversity of a water body.
KW  - Freshwater fungi
KW  - aquatic fungi
KW  - metabarcoding
KW  - LSU
KW  - GMYC
KW  - habitat specificity
KW  - Chytridiomycota
KW  - Cryptomycota
KW  - Rozellomycota
KW  - community ecology
KW  - lake ecosystem
KW  - biofilm
KW  - sediment
KW  - plankton
KW  - water sample
KW  - benthos
KW  - reed
KW  - fungal diversity
Y1  - 2016
U6  - https://doi.org/10.3897/mycokeys.16.9646
SN  - 1314-4057
SN  - 1314-4049
VL  - 41
SP  - 17
EP  - 44
PB  - Pensoft Publ.
CY  - Sofia
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kettner, Marie Therese
T1  - Microbial colonization of microplastic particles in aquatic systems
T1  - Mikrobielle Besiedlung von Mikroplastik-Partikeln in aquatischen Systemen
N2  - The continuously increasing pollution of aquatic environments with microplastics (plastic particles < 5 mm) is a global problem with potential implications for organisms of all trophic levels. For microorganisms, trillions of these floating microplastics particles represent a huge surface area for colonization. Due to the very low biodegradability, microplastics remain years to centuries in the environment and can be transported over thousands of kilometers together with the attached organisms. Since also pathogenic, invasive, or otherwise harmful species could be spread this way, it is essential to study microplastics-associated communities.
For this doctoral thesis, eukaryotic communities were analyzed for the first time on microplastics in brackish environments and compared to communities in the surrounding water and on the natural substrate wood. With Illumina MiSeq high-throughput sequencing, more than 500 different eukaryotic taxa were detected on the microplastics samples. Among them were various green algae, dinoflagellates, ciliates, fungi, fungal-like protists and small metazoans such as nematodes and rotifers. The most abundant organisms was a dinoflagellate of the genus Pfiesteria, which could include fish pathogenic and bloom forming toxigenic species. Network analyses revealed that there were numerous interaction possibilities among prokaryotes and eukaryotes in microplastics biofilms. Eukaryotic community compositions on microplastics differed significantly from those on wood and in water, and compositions were additionally distinct among the sampling locations. Furthermore, the biodiversity was clearly lower on microplastics in comparison to the diversity on wood or in the surrounding water.
In another experiment, a situation was simulated in which treated wastewater containing microplastics was introduced into a freshwater lake. With increasing microplastics concentrations, the resulting bacterial communities became more similar to those from the treated wastewater. Moreover, the abundance of integrase I increased together with rising concentrations of microplastics. Integrase I is often used as a marker for anthropogenic environmental pollution and is further linked to genes conferring, e.g., antibiotic resistance. 
This dissertation gives detailed insights into the complexity of prokaryotic and eukaryotic communities on microplastics in brackish and freshwater systems. Even though microplastics provide novel microhabitats for various microbes, they might also transport toxigenic, pathogenic, antibiotic-resistant or parasitic organisms; meaning their colonization can pose potential threats to humans and the environment. Finally, this thesis explains the urgent need for more research as well as for strategies to minimize the global microplastic pollution.
N2  - Die stetig steigende Verschmutzung der Gewässer mit Mikroplastik (Plastikteilchen < 5 mm) ist ein weltweites Umweltproblem und wirkt sich potentiell auf Organismen aller trophischen Ebenen aus. Für Mikroorganismen stellen Billionen dieser schwimmenden Mikroplastik-partikel eine riesige Fläche zur Besiedlung dar. Aufgrund der sehr schlechten Abbaubarkeit verbleibt Mikroplastik Jahre bis Jahrhunderte in der Umwelt und kann samt der angehefteten Organismen über mehrere Tausend Kilometer weit transportiert werden. Da sich darüber auch pathogene, invasive oder anderweitig gefährliche Arten verbreiten könnten, ist es essentiell, die Mikroplastik-assoziierten Gemeinschaften zu untersuchen.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden erstmals die eukaryotischen Gemeinschaften auf Mikroplastik in Brackwasser-Habitaten analysiert und mit Gemeinschaften aus dem umgebenden Wasser und auf dem natürlichen Substrat Holz verglichen. Mit Illumina MiSeq Hochdurchsatz-Sequenzierungs-Verfahren wurde ermittelt, dass über 500 verschiedene eukaryotische Taxa auf den Mikroplastikproben vorkamen. Dazu gehörten unterschiedliche Grünalgen, Dinoflagellaten, Ciliaten, Pilze, pilz-ähnliche Protisten und kleine Metazoen wie Fadenwürmer oder Rädertierchen. Am häufigsten kamen Dinoflagellaten der Gattung Pfiesteria vor, zu der möglicherweise fischpathogene und toxische Algenblüten-bildende Arten gehören könnten. Netzwerk-Analysen zeigten, dass es auf Mikroplastik eine Vielzahl von Interaktionsmöglichkeiten zwischen den vorhandenen Eukaryoten und Prokaryoten gibt. Die Zusammensetzungen der Eukaryoten-Gemeinschaften auf Mikroplastik unterschieden sich signifikant von jenen auf Holz und im umgebenden Wasser, aber auch zwischen den verschiedenen Probenahme-Standorten. Die Mikroplastikproben wiesen im Vergleich zu Wasser und Holz die geringste Biodiversität auf.
In einem weiteren Experiment wurde simuliert, dass Mikroplastik-haltiges Wasser aus dem Ablauf einer Kläranlage in einen See eingeleitet wird. Bei hohen Mikroplastikkonzentrationen reicherten sich besonders Bakterien aus dem Kläranlagenablauf an. Zudem hatten die Bakteriengemeinschaften auf Mikroplastik ein signifikant erhöhtes Vorkommen eines bestimmten genetischen Markers (Integrase I), welcher auf anthropogene Umweltverschmutzung hindeutet, sowie mit Genen verknüpft ist, die z. B. Antibiotika-Resistenzen übertragen können.
Die Versuchsergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen einerseits, wie komplex und vielseitig das mikrobielle Leben auf Mikroplastik sein kann, andererseits könnten diese Partikel aber auch Transportvehikel für toxische, pathogene, antibiotika-resistente oder parasitäre Organismen darstellen. Somit birgt ihre Besiedlung potentielle Gefahren für Mensch und Umwelt. Darüber hinaus weist diese Arbeit auf dringenden Forschungsbedarf hin und verdeutlicht die Notwendigkeit der Eindämmung der globalen Mikroplastik-Verschmutzung.
KW  - microplastics
KW  - eukaryotes
KW  - sequencing
KW  - fungi
KW  - biofilm
KW  - biodiversity
KW  - Biodiversität
KW  - Biofilm
KW  - Eukaryoten
KW  - Pilze
KW  - Mikroplastik
KW  - Sequenzierung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418854
ER  -