Die Folgen einer lebensmittelbedingten Erkrankung sind zum Teil gravierend, insbesondere für Kinder und immunsupprimierte Menschen. Hierbei gehören Salmonella und Campylobacter zu den häufigsten Erregern, die verantwortlich für gastrointestinale Erkrankungen in Deutschland sind. Trotz umfassender Maßnahmen der EU zur Prävention und Bekämpfung von Salmonellen in Geflügelbeständen und der Lebensmittel-Industrie, wird von einem stagnierenden Trend von Infektionszahlen berichtet. Zoonose-Erreger wie Salmonellen können über Nutztiere in die Nahrungskette des Menschen gelangen, wodurch sich Infektionsherde schnell ausbreiten können. Dabei sind bestehende Präventionsstrategien für Geflügel vorhanden, die aber nicht auf den Menschen übertragbar sind. Folglich sind Diagnostik und Prävention in der Lebensmittelindustrie essentiell. Deshalb besteht ein hoher Bedarf für spezifische, sensitive und zuverlässige Nachweismethoden, die eine Point-of-care Diagnostik gewährleisten. Durch ein wachsendes Verständnis der wirtsspezifischen Faktoren von S. enterica Serovaren kann die Entwicklung sowohl neuartiger diagnostischer Methoden, als auch neuartiger Therapien und Impfstoffe maßgeblich vorangetrieben werden. Infolgedessen wurde in dieser Arbeit ein infektionsähnliches in vitro Modell für S. Enteritidis etabliert und darauf basierend eine umfassende Untersuchung zur Identifizierung neuer Zielstrukturen für den Erreger durchgeführt. Während einer Salmonellen-Infektion ist die erste zelluläre Barriere im Wirt die Epithelschicht. Dementsprechend wurde eine humane Zelllinie (CaCo 2, Darmepithel) für die Pathogen-Wirt-Studie ausgewählt. Das Salmonellen-Transkriptom und morphologische Eigenschaften der Epithelzellen wurden in verschiedenen Phasen der Salmonellen-Infektion untersucht und mit bereits gut beschriebenen Virulenzfaktoren und Beobachtungen in Bezug gesetzt. Durch dieses Infektionsmodell konnte ein spezifischer Phänotyp für die intrazellulären Salmonellen in den Epithelzellen nachgewiesen werden. Zudem wurde aufgezeigt, dass bereits die Kultivierung in Flüssigmedium einen invasionsaktiven Zustand der Salmonellen erzeugt. Allerdings wurde durch die Kokultivierung mit Epithelzellen eine zusätzliche Expression relevanter Gene induziert, um eine effiziente Adhäsion und Transmembran-Transport zu gewährleisten. Letzterer ist charakteristisch für die intrazelluläre Limitierung von Nährstoffen und prägt den infektionsrelevanten Status. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren ergab sich ein Phänotyp, der eindeutig Mechanismen zur Wirtsadaptation und möglicherweise auch Pathogenese aufzeigt. Die intrazellulären Bakterien müssen vom Wirt separiert werden, was ein wesentlicher Schritt für Pathogen-bestimmende Analysen ist. Hierbei wurde mithilfe einer Detergenz-basierten Lyse der eukaryotischen Zellmembran und differentieller Zentrifugation, der eukaryotische Eintrag minimal gehalten. Unter Verwendung der Virulenz-adaptierten Salmonellen wurden Untersuchungen in Hinblick auf die Identifizierung neuer Zielstrukturen für S. Enteritidis durchgeführt. Mithilfe eines immunologischen Screenings wurden neue potentielle Antigene entdeckt. Zu diesem Zweck wurden bakterielle cDNA-basierte Expressionsbibliotheken hergestellt, die durch eine vereinfachte Microarray-Anwendung ein Hochdurchsatzscreening von Proteinen als potentielle Binder ermöglichen. Folglich konnten neue unbeschriebene Proteine identifiziert werden, die sich durch eine Salmonella-Spezifität oder Membranständigkeit auszeichnen. Ebenso wurde ein Vergleich der im Screening identifizierten Proteine mit der Regulation der kodierenden Gene im infektionsähnlichen Modell durchgeführt. Dabei wurde deutlich, dass die Häufigkeit von Transkripten einen Einfluss auf die Verfügbarkeit in der cDNA-Bibliothek und folglich auch auf die Expressionsbibliothek nimmt. Angesichts eines Ungleichgewichts zwischen der Gesamtzahl protein-kodierender Gene in S. Enteritidis zu möglichen Klonen, die während des Microarray-Screenings untersucht werden können, besteht der Bedarf einer Anreicherung von Proteinen in der Expressionsbibliothek. Das infektionsähnliche Modell zeigte, dass nicht nur Virulenz-assoziierte, sondern auch Stress- und Metabolismus-relevante Gene hochreguliert werden. Durch die Konstruktion dieser spezifischen cDNA-Bibliotheken ist die Erkennung von charakteristischen molekularen Markern gegeben. Weiterhin wurden anhand der Transkriptomanalyse spezifisch hochregulierte Gene identifiziert, die relevant für das intrazelluläre Überleben von S. Enteritidis in humanen Epithelzellen sind. Hiervon wurden drei Gene näher untersucht, indem ihr Einfluss im infektionsähnlichen Modell mittels entsprechender Gen-Knockout-Stämme analysiert wurde. Dabei wurde für eine dieser Mutanten ein reduziertes Wachstum in der späten intrazellulären Phase nachgewiesen. Weiterführende in vitro Analysen sind für die Charakterisierung des Knockout-Stamms notwendig, um den Einsatz als potenzielles Therapeutikum zu verifizieren. Zusammenfassend wurde ein in vitro Infektionsmodell für S. Enteritidis etabliert, wodurch neue Zielstrukturen des Erregers identifiziert wurden. Diese sind für diagnostische oder therapeutische Anwendungen interessant. Das Modell lässt sich ebenso für andere intrazelluläre Pathogene übertragen und gewährleistet eine zuverlässige Identifizierung von potentiellen Antigenen.

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.

The highly conserved protein complex containing the Target of Rapamycin (TOR) kinase is known to integrate intra- and extra-cellular stimuli controlling nutrient allocation and cellular growth. This thesis describes three studies aimed to understand how TOR signaling pathway influences carbon and nitrogen metabolism in Chlamydomonas reinhardtii. The first study presents a time-resolved analysis of the molecular and physiological features across the diurnal cycle. The inhibition of TOR leads to 50% reduction in growth followed by nonlinear delays in the cell cycle progression. The metabolomics analysis showed that the growth repression is mainly driven by differential carbon partitioning between anabolic and catabolic processes. Furthermore, the high accumulation of nitrogen-containing compounds indicated that TOR kinase controls the carbon to nitrogen balance of the cell, which is responsible for biomass accumulation, growth and cell cycle progression. In the second study the cause of the high accumulation of amino acids is explained. For this purpose, the effect of TOR inhibition on Chlamydomonas was examined under different growth regimes using stable 13C- and 15N-isotope labeling. The data clearly showed that an increased nitrogen uptake is induced within minutes after the inhibition of TOR. Interestingly, this increased N-influx is accompanied by increased activities of nitrogen assimilating enzymes. Accordingly, it was concluded that TOR inhibition induces de-novo amino acid synthesis in Chlamydomonas. The recognition of this novel process opened an array of questions regarding potential links between central metabolism and TOR signaling. Therefore a detailed phosphoproteomics study was conducted to identify the potential substrates of TOR pathway regulating central metabolism. Interestingly, some of the key enzymes involved in carbon metabolism as well as amino acid synthesis exhibited significant changes in the phosphosite intensities immediately after TOR inhibition. Altogether, these studies provide a) detailed insights to metabolic response of Chlamydomonas to TOR inhibition, b) identification of a novel process causing rapid upshifts in amino acid levels upon TOR inhibition and c) finally highlight potential targets of TOR signaling regulating changes in central metabolism. Further biochemical and molecular investigations could confirm these observations and advance the understanding of growth signaling in microalgae.

Starch is the primary storage carbohydrate in most photosynthetic organisms and allows the accumulation of carbon and energy in form of an insoluble and semi-crystalline particle. In the last decades large progress, especially in the model plant Arabidopsis thaliana, was made in understanding the structure and metabolism of starch and its conjunction. The process underlying the initiation of starch granules remains obscure, although this is a fundamental process and seems to be strongly regulated, as in Arabidopsis leaves the starch granule number per chloroplast is fixed with 5-7. Several single, double, and triple mutants were reported in the last years that showed massively alterations in the starch granule number per chloroplast and allowed further insights in this important process. This mini review provides an overview of the current knowledge of processes involved in the initiation and formation of starch granules. We discuss the central role of starch synthase 4 and further proteins for starch genesis and affecting metabolic factors.

Background Contiguous genome assemblies are a highly valued biological resource because of the higher number of completely annotated genes and genomic elements that are usable compared to fragmented draft genomes. Nonetheless, contiguity is difficult to obtain if only low coverage data and/or only distantly related reference genome assemblies are available. Findings In order to improve genome contiguity, we have developed Cross-Species Scaffolding—a new pipeline that imports long-range distance information directly into the de novo assembly process by constructing mate-pair libraries in silico. Conclusions We show how genome assembly metrics and gene prediction dramatically improve with our pipeline by assembling two primate genomes solely based on ∼30x coverage of shotgun sequencing data.