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Environmental stress is detrimental to cell viability and requires an adequate reprogramming of cellular activities to maximize cell survival. We present a global analysis of the response of Escherichia coli to acute heat and osmotic stress. We combine deep sequencing of total mRNA and ribosome-protected fragments to provide a genome-wide map of the stress response at transcriptional and translational levels. For each type of stress, we observe a unique subset of genes that shape the stress-specific response. Upon temperature upshift, mRNAs with reduced folding stability up-and downstream of the start codon, and thus with more accessible initiation regions, are translationally favoured. Conversely, osmotic upshift causes a global reduction of highly translated transcripts with high copy numbers, allowing reallocation of translation resources to not degraded and newly synthesized mRNAs.
Pathogens such as viruses and bacteria use their envelope proteins and their adhesin lectins to recognize the glycan residues presented on the cell surface of the target tissues. This principle of recognition is used in a new electrochemical displacement sensor for the protein concanavalin A (ConA). A gold electrode was first modified with a self-assembled monolayer of a thiolated mannose/OEG conjugate and a ferrocene boroxol derivative was pre-assembled as reporter molecule onto the mannose surface. The novel tracer molecule based on a 2-hydroxymethyl phenyl boronic acid derivative binds even at neutral pH to the saccharides which could expand the application towards biological samples (i.e., urine and feces). Upon the binding of ConA, the tracer was displaced and washed away from the sensor surface leading to a decrease in the electrochemical signal. Using square wave voltammetry (SWV), the concentration of ConA in the sample solution could be determined in the dynamic concentration range established from 38 nmol L-1 to 5.76 mu mol L-1 with a reproducible detection limit of 1 mu g mL(-1) (38 nmol L-1) based on the signal-to-noise ratio (S/N=3) with fast response of 15 min. The new reporter molecule showed a reduced non-specific displacement by BSA and ribonuclease A. The sensor was also successfully transferred to the first proof of principle for the detection of Escherichia coli exhibiting a detection limit of approximately 6 x 102 cells/mL Specificity of the displacement by target protein ConA and E. coli was demonstrated since the control proteins (i.e., BSA and RNaseA) and the control E. coli strain, which lack of type 1 fimbriae, were ineffective. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.
Escherichia (E.) coli ist als kommensales Bakterium ein wichtiger Bestandteil des Mikrobioms von Säugern, jedoch zudem der häufigste Infektionserreger des Menschen. Entsprechend des Infektionsortes werden intestinal (InPEC) und extraintestinal pathogene E. coli (ExPEC) unterschieden. Die Pathogenese von E. coli-Infektionen ist durch Virulenzfaktoren determiniert, welche von jeweils spezifischen virulenzassoziierten Genen (inVAGs und exVAGs) kodiert werden. Häufig werden exVAGs auch in E. coli-Isolaten aus dem Darm gesunder Wirte nachgewiesen. Dies führte zu der Vermutung, dass exVAGs die intestinale Kolonisierung des Wirtes durch E. coli unterstützen. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, das Wissen über den Einfluss von exVAGs auf die Besiedlung und damit die Adhäsion von E. coli an Epithelzellen des Darmtraktes zu erweitern. Die Durchführung einer solch umfassenden E. coli-Populationsstudie erforderte die Etablierung neuer Screeningmethoden. Für die genotypische Charakterisierung wurden mikropartikelbasierte Multiplex-PCR-Assays zum Nachweis von 44 VAGs und der Phylogenie etabliert. Für die phänotypische Charakterisierung wurden Adhäsions- und Zytotoxizitätsassays etabliert. Die Screeningmethoden basieren auf der VideoScan-Technologie, einem automatisierten bildbasierten Multifluoreszenzdetektionssystem. Es wurden 398 E. coli-Isolate aus 13 Wildsäugerarten und 5 Wildvogelarten sowie aus gesunden und harnwegserkrankten Menschen und Hausschweinen charakterisiert. Die Adhäsionsassays hatten zum Ziel, sowohl die Adhäsionsraten als auch die Adhäsionsmuster der 317 nicht hämolytischen Isolate auf 5 Epithelzelllinien zu bestimmen. Die Zytotoxizität der 81 hämolytischen Isolate wurde in Abhängigkeit der Inkubationszeit auf 4 Epithelzelllinien geprüft. In den E. coli-Isolaten wurde eine Reihe von VAGs nachgewiesen. Potentielle InPEC, insbesondere shigatoxinproduzierende und enteropathogene E. coli wurden aus Menschen, Hausschweinen und Wildtieren, vor allem aus Rehen und Feldhasen isoliert. exVAGs wurden mit stark variierender Prävalenz in Isolaten aus allen Arten detektiert. Die größte Anzahl und das breiteste Spektrum an exVAGs wurde in Isolaten aus Urin harnwegserkrankter Menschen, gefolgt von Isolaten aus Dachsen und Rehen nachgewiesen. In Isolaten der phylogenetischen Gruppe B2 wurden mehr exVAGs detektiert als in den Isolaten der phylogenetischen Gruppen A, B1 und D. Die Ergebnisse der Adhäsionsassays zeigten, dass die meisten Isolate zelllinien-, gewebe- oder wirtsspezifisch adhärierten. Ein Drittel der Isolate adhärierte an keiner Zelllinie und nur zwei Isolate adhärierten stark an allen Zelllinien. Grundsätzlich adhärierten mehr Isolate an humanen sowie an intestinalen Zelllinien. Besonders Isolate aus Eichhörnchen und Amseln sowie aus Urin harnwegserkrankter Menschen und Hausschweine waren in der Lage, stark zu adhärieren. Hierbei bildeten die Isolate als Adhäsionsmuster diffuse Adhäsion, Mikrokolonien, Ketten und Agglomerationen. Mittels statistischer Analysen wurden Assoziationen zwischen exVAGs und einer hohen Adhäsionsrate ersichtlich. So war beispielsweise das Vorkommen von afa/dra mit einer höheren Adhäsionsrate auf Caco-2- und 5637-Zellen und von sfa/foc auf IPEC-J2-Zellen assoziiert. Die Ergebnisse der Zytotoxizitätsassays zeigten eine sehr starke und zeitabhängige Zerstörung der Monolayer aller Epithelzelllinien durch die α-Hämolysin-positiven Isolate. Auffallend war die hohe Toxizität hämolytischer Isolate aus Wildtieren gegenüber den humanen Zelllinien. Mit den innerhalb dieser Arbeit entwickelten Screeningmethoden war es möglich, große Mengen an Bakterien zu charakterisieren. Es konnte ein Überblick über die Verbreitung von VAGs in E. coli aus unterschiedlichen Wirten gewonnen werden. Besonders Wildtiere wurden sowohl durch den Nachweis von VAGs in den entsprechenden Isolaten, verbunden mit deren Adhäsionsfähigkeit und ausgeprägter Zytotoxizität als Reservoire pathogener E. coli identifiziert. Ebenso wurde eine zelllinienspezifische Adhäsion von Isolaten mit bestimmten exVAGs deutlich. Damit konnte der mögliche Einfluss von exVAGs auf die intestinale Kolonisierung bestätigt werden. In weiterführenden Arbeiten sind jedoch Expressions- und Funktionsanalysen der entsprechenden Proteine unerlässlich. Es wird anhand der Mikrokoloniebildung durch kommensale E. coli vermutet, dass Adhäsionsmuster und demzufolge Kolonisierungsstrategien, die bisher pathogenen E. coli zugeschrieben wurden, eher als generelle Kolonisierungsstrategien zu betrachten sind. Das E. coli-α-Hämolysin wirkt im Allgemeinen zytotoxisch auf Epithelzellen. Ein in der Fachliteratur diskutierter adhäsionsunterstützender Mechanismus dieses Toxins ist demnach fragwürdig. Innerhalb dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die entwickelten Screeningmethoden umfassende Analysen einer großen Anzahl an E. coli-Isolaten ermöglichen.
Monoklonale Antikörper (mAK) sind eines der wichtigsten Biomoleküle für die Umweltanalytik und die medizinische Diagnostik. Für die Detektion von Mikroorganismen bilden sie die Grundlage für ein schnelles und präzises Testverfahren. Bis heute gibt es, aufgrund des hohen zeitlichen und materiellen Aufwandes und der unspezifischen Immunisierungsstrategien, nur wenige mAK, die spezifisch Mikroorganismen erkennen.
Zu diesem Zweck sollte ein anwendbares Verfahren für die Generierung von mAK gegen Mikroorganismen entwickelt werden, welches anhand von Escherichia coli O157:H7 und Legionella pneumophila validiert wurde. In dieser Dissertation konnten neue Oberflächenstrukturen auf den Mikroorganismen mittels vergleichender Genomanalysen und in silico Epitopanalysen identifiziert werden. Diese wurden in das Virushüllprotein VP1 integriert und für eine gezielte Immunisierungsstrategie verwendet. Für die Bestimmung antigenspezifischer antikörperproduzierender Hybridome wurde ein Immunfärbeprotokoll entwickelt und etabliert, um die Hybridome im Durchflusszytometer zu sortieren.
In der vorliegenden Studie konnten für E. coli O157:H7 insgesamt 53 potenzielle Proteinkandidaten und für L. pneumophila 38 Proteine mithilfe der bioinformatischen Analyse identifiziert werden. Fünf verschiedene potenzielle Epitope wurden für E. coli O157:H7 und drei verschiedenen für L. pneumophila ausgewählt und für die Immunisierung mit chimären VP1 verwendet. Alle Immunseren zeigten eine antigenspezifische Immunantwort. Aus den nachfolgend generierten Hybridomzellen konnten mehrere Antikörperkandidaten gewonnen werden, welche in Charakterisierungsstudien eine starke Bindung zu E. coli O157:H7 bzw. L. pneumophila vorwiesen. Kreuzreaktivitäten zu anderen relevanten Mikroorganismen konnten keine bzw. nur in geringem Maße festgestellt werden.
Folglich konnte der hier beschriebene interdisziplinäre Ansatz zur Generierung spezifischer mAK gegen Mikroorganismen nachweislich spezifische mAK hervorbringen und ist als hocheffizienter Arbeitsablauf für die Herstellung von Antikörpern gegen Mikroorganismen einsetzbar.
Antisense transcription is common in naturally occurring genomes and is increasingly being used in synthetic genetic circuitry as a tool for gene expression control. Mutual influence on the expression of convergent genes can be mediated by antisense RNA effects and by transcriptional interference (TI). We aimed to quantitatively characterize long-range TI between convergent genes with untranslated intergenic spacers of increasing length. After controlling for antisense RNA-mediated effects, which contributed about half of the observed total expression inhibition, the TI effect was modeled. To achieve model convergence, RNA polymerase processivity and collision resistance were assumed to be modulated by ribosome trailing. The spontaneous transcription termination rate in regions of untranslated DNA was experimentally determined. Our modeling suggests that an elongating RNA polymerase with a trailing ribosome is about 13 times more likely to resume transcription than an opposing RNA polymerase without a trailing ribosome, upon head-on collision of the two.
With populations growing worldwide and climate change threatening food production there is an urgent need to find ways to ensure food security. Increasing carbon fixation rate in plants is a promising approach to boost crop yields. The carbon-fixing enzyme Rubisco catalyzes, beside the carboxylation reaction, also an oxygenation reaction that generates glycolate-2P, which needs to be recycled via a metabolic route termed photorespiration. Photorespiration dissipates energy and most importantly releases previously fixed CO2, thus significantly lowering carbon fixation rate and yield. Engineering plants to omit photorespiratory CO2 release is the goal of the FutureAgriculture consortium and this thesis is part of this collaboration. The consortium aims to establish alternative glycolate-2P recycling routes that do not release CO2. Ultimately, they are expected to increase carbon fixation rates and crop yields. Natural and novel reactions, which require enzyme engineering, were considered in the pathway design process. Here I describe the engineering of two pathways, the arabinose-5P and the erythrulose shunt. They were designed to recycle glycolate-2P via glycolaldehyde into a sugar phosphate and thereby reassimilate glycolate-2P to the Calvin cycle. I used Escherichia coli gene deletion strains to validate and characterize the activity of both synthetic shunts. The strains’ auxotrophies can be alleviated by the activity of the synthetic route, thus providing a direct way to select for pathway activity. I introduced all pathway components to these dedicated selection strains and discovered inhibitions, limitations and metabolic cross talk interfering with pathway activity. After resolving these issues, I was able to show the in vivo activity of all pathway components and combine them into functional modules.. Specifically, I demonstrate the activity of a new-to-nature module of glycolate reduction to glycolaldehyde. Also, I successfully show a new glycolaldehyde assimilation route via arabinose-5P to ribulose-5P. In addition, all necessary enzymes for glycolaldehyde assimilation via L-erythrulose were shown to be active and an L-threitol assimilation route via L-erythrulose was established in E. coli. On their own, these findings demonstrate the power of using an easily engineerable microbe to test novel pathways; combined, they will form the basis for implementing photorespiration bypasses in plants.
Bacterial biofilm formation is a widespread phenomenon and a complex process requiring a set of genes facilitating the initial adhesion, maturation, and production of the extracellular polymeric matrix and subsequent dispersal of bacteria. Most studies on Escherichia coli biofilm formation have investigated nonpathogenic E. coli K-12 strains. Due to the extensive focus on laboratory strains in most studies, there is poor information regarding biofilm formation by pathogenic E. coli isolates. In this study, we genotypically and phenotypically characterized 187 human clinical E. coli isolates representing various pathotypes (e.g., uropathogenic, enteropathogenic, and enteroaggregative E. coli). We investigated the presence of biofilm-associated genes ("genotype") and phenotypically analyzed the isolates for motility and curli and cellulose production ("phenotype"). We developed a new screening method to examine the in vitro biofilm formation ability. In summary, we found a high prevalence of biofilm-associated genes. However, we could not detect a biofilm-associated gene or specific phenotype correlating with the biofilm formation ability. In contrast, we did identify an association of increased biofilm formation with a specific E. coli pathotype. Enteroaggregative E. coli (EAEC) was found to exhibit the highest capacity for biofilm formation. Using our image-based technology for the screening of biofilm formation, we demonstrated the characteristic biofilm formation pattern of EAEC, consisting of thick bacterial aggregates. In summary, our results highlight the fact that biofilm-promoting factors shown to be critical for biofilm formation in nonpathogenic strains do not reflect their impact in clinical isolates and that the ability of biofilm formation is a defined characteristic of EAEC. IMPORTANCE Bacterial biofilms are ubiquitous and consist of sessile bacterial cells surrounded by a self-produced extracellular polymeric matrix. They cause chronic and device-related infections due to their high resistance to antibiotics and the host immune system. In nonpathogenic Escherichia coli, cell surface components playing a pivotal role in biofilm formation are well known. In contrast, there is poor information for their role in biofilm formation of pathogenic isolates. Our study provides insights into the correlation of biofilm-associated genes or specific phenotypes with the biofilm formation ability of commensal and pathogenic E. coli. Additionally, we describe a newly developed method enabling qualitative biofilm analysis by automated image analysis, which is beneficial for high-throughput screenings. Our results help to establish a better understanding of E. coli biofilm formation.
The past decades are characterized by various efforts to provide complete sequence information of genomes regarding various organisms. The availability of full genome data triggered the development of multiplex high-throughput assays allowing simultaneous measurement of transcripts, proteins and metabolites. With genome information and profiling technologies now in hand a highly parallel experimental biology is offering opportunities to explore and discover novel principles governing biological systems. Understanding biological complexity through modelling cellular systems represents the driving force which today allows shifting from a component-centric focus to integrative and systems level investigations. The emerging field of systems biology integrates discovery and hypothesis-driven science to provide comprehensive knowledge via computational models of biological systems. Within the context of evolving systems biology, investigations were made in large-scale computational analyses on transcript co-response data through selected prokaryotic and plant model organisms. CSB.DB - a comprehensive systems-biology database - (http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de/) was initiated to provide public and open access to the results of biostatistical analyses in conjunction with additional biological knowledge. The database tool CSB.DB enables potential users to infer hypothesis about functional interrelation of genes of interest and may serve as future basis for more sophisticated means of elucidating gene function. The co-response concept and the CSB.DB database tool were successfully applied to predict operons in Escherichia coli by using the chromosomal distance and transcriptional co-responses. Moreover, examples were shown which indicate that transcriptional co-response analysis allows identification of differential promoter activities under different experimental conditions. The co-response concept was successfully transferred to complex organisms with the focus on the eukaryotic plant model organism Arabidopsis thaliana. The investigations made enabled the discovery of novel genes regarding particular physiological processes and beyond, allowed annotation of gene functions which cannot be accessed by sequence homology. GMD - the Golm Metabolome Database - was initiated and implemented in CSB.DB to integrated metabolite information and metabolite profiles. This novel module will allow addressing complex biological questions towards transcriptional interrelation and extent the recent systems level quest towards phenotyping.
Die ubiquitär verbreitete Molybdänkofaktorbiosynthese ist in Escherichia coli (E. coli) bisher am umfassendsten untersucht. Bislang war jedoch nicht bekannt, welche physiologische Schwefelquelle im zweiten Schritt dieses Syntheseweges zur Bildung der charakteristischen Dithiolengruppe genutzt wird. Erste Untersuchungen deuteten auf eine der Cysteindesulfurasen E. colis hin, welche in Verbindung mit einem rhodaneseähnlichen Protein den Schwefel in Form eines Persulfids übertragen. Ähnliche Mechanismen wurden bereits in der humanen Moco-Biosynthese und der Thiaminbiosynthese identifiziert. In dieser Arbeit wurde das E. coli Protein YnjE näher charakterisiert. Es handelt sich bei YnjE um ein rhodaneseähnliches Protein aus drei Rhodanesedomänen. Durch Proteinkristallisation und anschliessender Röntgenstrukturanalyse wurde die Tertiärstruktur des YnjE-Proteins analysiert. Die hergestellten Kristalle konnten zur Gewinnung von Strukturdaten vermessen und eine Proteinkristallstruktur für YnjE berechnet werden. Desweiteren besitzt YnjE ein N-terminales Typ I Sekretionssystem abhängiges Sipnalpeptid. Durch Lokalisieungsexperimente wurde die Bedeutung des Signalpeptids für das YnjE-Protein untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass endogenes YnjE sowohl im peri- als auch im cytoplasmatischen Raum lokalisiert ist. Auf Grund von vorhergehenden Studien, wurde eine Funktion des YnjE-Proteins innerhalb der Molybdänkofaktorbiosynthese in der Schwefelübertragung auf das Protein MoaD in E. coli vermutet und deshalb in dieser Arbeit näher untersucht. Es wurde eine Interaktion des YnjE-Proteins mit dem MoeB-Protein, welches für die Thiocarboxylierung des MoaD-Proteins essentiell ist, durch Tandem-Affinitätsreinigung und Antikörper-basierte Affinitätsreinigung nachgewiesen und ein signifikanter positiver Einfluss YnjEs auf die Bildung von Molybdopterin, einer Vorstufe des Molybdänkofaktors, bestätigt. Dabei wurde sowohl der Sulfurierungsgrad des MoaD-Proteins in YnjE und Cysteindesulfurase-knock-out Mutanten untersucht, als auch die Bildung von Molybdopterin in einem in vitro Ansatz in Abhängigkeit von steigenden YnjE-Konzentrationen analysiert. Im Ergebnis kann man daraus schließen, dass der Mechanismus der Schwefelübertragung ähnlich der Thiaminbiosynthese, über eine der drei Cysteindesulfurasen CsdA, SufS oder IscS geschieht, welche Schwefel in Form eines Persulfids auf YnjE übertragen können. Thiosulfat und Mercaptopyruvat, die Substrate für die beiden Familien der rhodaneseähnlichen Proteine, Thiosulfat-Sulfurtransferasen und Mercaptopyruvat-Sulfurtransferasen, dienen nicht als Substrate für eine Persulfurierung YnjEs. Durch eine Austauschmutante des Cysteinrestes der aktiven Schleife von YnjE konnte nicht bestätigt werden, dass dieser Aminosäurerest und damit die Bildung eines YnjE-gebundenen Persulfids für die positive Beeinflussung der MPT-Synthese essentiell ist. Vielmehr kann durch diese Arbeit von einer Vermittlung der Interaktionen zwischen MoeB, IscS und der MPT-Synthase durch YnjE ausgegangen werden wobei die Cysteindesulfurase IscS den Schwefel für die Thiocarboxylierung des MoaD-Proteins liefert.
We have analyzed the O-antigen polysaccharide of the previously uncharacterized Escherichia coli strain TD2158 which is a host of bacteriophage HK620. This bacteriophage recognizes and cleaves the polysaccharide with its tailspike protein (TSP). The polysaccharide preparation as well as oligosaccharides obtained from HK620TSP endoglycosidase digests were analyzed with NMR spectroscopy. Additionally, sugar analysis was performed on the O-antigen polysaccharide and MALDI-TOF MS was used in oligosaccharide analysis. The present study revealed a heterogeneous polysaccharide with a hexasaccharide repeating unit of the following structure:
alpha-D-Glcp-(1 -> 6) vertical bar vertical bar 2)-alpha-L-Rhap-(1 -> 6)-alpha-D-Glcp-(1 -> 4)-alpha-D-Galp-(1 -> 3)-alpha-D-GlcpNAc- (1 ->vertical bar beta-D-Glcp/beta-D-GlcpNAc-(1 -> 3)
A repeating unit with a D-GlcNAc substitution of D-Gal has been described earlier as characteristic for serogroup O18A1. Accordingly, we termed repeating units with D-Glc substitution at D-Gal as O18A2. NMR analyses of the polysaccharide confirmed that O18A1- and O18A2-type repeats were present in a 1:1 ratio. However, HK620TSP preferentially bound the D-GlcNAc- substituted O18A1-type repeating units in its high affinity binding pocket with a dissociation constant of 140 mu M and disfavored the O18A2-type having a beta-D-Glcp-(1 -> 3)-linked group. As a result, in hexasaccharide preparations, O18A1 and O18A2 repeats were present in a 9: 1 ratio stressing the clear preference of O18A1- type repeats to be cleaved by HK620TSP.
Molybdenum cofactor (Moco) biosynthesis is a complex process that involves the coordinated function of several proteins. In recent years it has become obvious that the availability of iron plays an important role in the biosynthesis of Moco. First, the MoaA protein binds two (4Fe-4S] clusters per monomer. Second, the expression of the moaABCDE and moeAB operons is regulated by FNR, which senses the availability of oxygen via a functional NFe-4S) cluster. Finally, the conversion of cyclic pyranopterin monophosphate to molybdopterin requires the availability of the L-cysteine desulfurase IscS, which is a shared protein with a main role in the assembly of Fe-S clusters. In this report, we investigated the transcriptional regulation of the moaABCDE operon by focusing on its dependence on cellular iron availability. While the abundance of selected molybdoenzymes is largely decreased under iron-limiting conditions, our data show that the regulation of the moaABCDE operon at the level of transcription is only marginally influenced by the availability of iron. Nevertheless, intracellular levels of Moco were decreased under iron-limiting conditions, likely based on an inactive MoaA protein in addition to lower levels of the L-cysteine desulfurase IscS, which simultaneously reduces the sulfur availability for Moco production. IMPORTANCE FNR is a very important transcriptional factor that represents the master switch for the expression of target genes in response to anaerobiosis. Among the FNR-regulated operons in Escherichia coli is the moaABCDE operon, involved in Moco biosynthesis. Molybdoenzymes have essential roles in eukaryotic and prokaryotic organisms. In bacteria, molybdoenzymes are crucial for anaerobic respiration using alternative electron acceptors. This work investigates the connection of iron availability to the biosynthesis of Moco and the production of active molybdoenzymes.