Interaktion von Prophagen und Colizin Ib auf Einzelzell- und Populationsebene

• Antragstellerin: Professorin Dr. Barbara Stecher-Letsch
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Evolution, Anthropologie ; Parasitologie und Biologie der Erreger tropischer Infektionskrankheiten
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276692407

Colizine sind Bacteriozine, welche von E. coli und nah verwandten Bakterien produziert werden und auch gegen diese wirksam sind. Colizine gelten als klassisches Beispiel für das Prinzip der Arbeitsteilung innerhalb einer klonalen Bakterienpopulation. Colizine dienen als public good der Fitness der Gesamtpopulation, werden aber nur von einzelnen Individuen der Population gebildet. Diese Individuen sterben und setzen Colizine durch Zelllyse frei. ColIb begünstigt die Kompetition von Salmonella enterica sv. Typhimurium (S. Tm) gegen kommensale E. coli im Darm. In der ersten Förderungsperiode des SPPs untersuchten wir die Regulation von Colicin Ib (ColIb) auf Einzelzellebene in S. Tm mittels gfp-Reporterkonstrukten. Wir konnten bestätigen, dass ColIb unter bestimmten Umweltbedingungen von einem Teil der Population gebildet wird. Diese Bakterien lysieren zumindest partiell und geben ColIb in die Umgebung ab. Bisher war der Mechanismus ColIb-Freisetzung unklar, da spezifische Lysine, wie sie für andere Colizine bekannt sind, fehlen. Unsere vorläufigen Daten aus der ersten Förderperiode decken eine bisher unbekannte Verbindung zwischen temperenten Phagen und ColIb auf. Die Anwesenheit von lambdoiden Prophagen oder deren Lysisgene korreliert mit gesteigerter Freisetzung von ColIb in den Kulturüberstand von S. Tm. Dies legt nahe, dass ColIb Plasmide Lysisgene von temperenten Phagen für die Freisetzung parasitieren. In der zweiten Förderperiode möchten wir nun die Bedeutung von temperenten Phagen für die Colizin-Biologie auf Ebene der einzelnen Bakterienzelle näher untersuchen. Zudem soll die Rolle von Prophagen auch für die Colizin-abhängige Fitness und Evolution des Prinzips der Arbeitsteilung innerhalb der Bakterienpopulation im Detail analysiert werden. Wir werden geeignete S. Tm Mutanten- und Reporterstämme generieren um diese Ziele zu verfolgen. Zuerst werden wir untersuchen, ob auch andere Colizine neben ColIb im Laufe einer Phagen-vermittelten Lyse freigesetzt werden können. Zweitens werden wir Co-regulation von ColIb und Prophagen-Lysegenen auf Einzelzellebene analysieren. Wir nehmen an, dass Prophagen vor allem in dem Teil der Bakterienpopulation induziert werden, die auch das ColIb bilden. Daraufhin lysieren diese Bakterien und setzen ColIb frei. Wir werden diese Hypothese testen, indem wir die Aktivierung von Prophagen mittels Fluoreszenzreportern mikroskopisch in einer Microfluidics-Kammer analysieren und mit der Expression von ColIb (cib) korrelieren. Zuletzt werden wir die dreiseitige Interaktion von Wirtsbakterium, Colizinplasmid und temperenten Phagen modellieren und testen, ob es sich hierbei um eine evolutionär-stabile Strategie handeln könnte. Hierzu werden wir eine Kombination von in vitro Experimenten und mathematischer Modellierung verwenden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1617: Phänotypische Heterogenität und Soziobiologie bakterieller Populationen
• Mitverantwortlich: Dr. Burkhard Hense