Wechselwirkungen von Bakteriophagen mit Glykan-basierten Biofilmen und Kontrolle durch Depolymerase-Enzyme

• Antragstellerin: Professorin Dr. Stefanie Barbirz
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Virologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464851329

In den meisten Ökosystemen leben Mikroorganismen in Biofilmen, komplexen Gemischen aus Biopolymeren wie Proteinen, DNA oder Polysacchariden, der extrazellulären, polymeren Substanz (EPS). Die eingebetteten Zellen profitieren in vielfacher Hinsicht von dieser Matrix, die sie vor allem von äußeren Einflüssen abschirmt, z.B. sind pathogene Bakterien in Biofilmen schwerer angreifbar durch Antibiotika. Auch der Zugang bakterieller Viren (Bakteriophagen) zu ihren bakteriellen Wirten wird durch den Biofilm stark eingeschränkt und so ihre Infektionsrate beeinflusst. Jedoch existieren bisher kaum Untersuchungen zur Wechselwirkung von Bakteriophagen mit Biofilmen, obwohl der Bakteriophagen-vermittelte Gentransfer untrennbar mit der Evolution Biofilm-bildender, bakterieller Gemeinschaften verbunden ist.Die EPS bildet im Biofilm ein enges Netzwerk, das die Diffusion von Partikeln – einschließlich Bakteriophagen - einschränkt und verlangsamt. Dabei sorgen vor allem Polysaccharide für die viskoelastische Stabilität und Vernetzung vieler Biofilme. Ziel unseres Vorhabens ist es, die Bakteriophageninfektion in solchen Glykan-dominierten Biofilmen zu untersuchen. Viele Bakteriophagen besitzen als Teil ihres Schwanzapparates Glykosidasen, Enzyme, die Polysaccharide der EPS spalten (Depolymerasen), und damit aktiv die Stabilität des Biofilms herabsetzen können. Bisher existieren keine systematischen Untersuchungen, wie diese Depolymerasen die Dynamik der Bakteriophageninfektion innerhalb von Biofilmen beeinflussen.Pflanzenpathogene der Gattung Erwinia, z.B. der Feuerbranderreger E. amylovora, bilden Glykan-Biofilme, in denen wir das Infektionsverhalten von Erwinia-Phagen untersuchen wollen. Die Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie ist hier eine besonders geeignete Methode, um die Diffusion von Phagenpartikeln im Biofilm mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu verfolgen. Wir werden damit den Einfluss der Mobilität auf die Infektionsrate bestimmen und mit theoretischen Modellen zu Populationsdynamiken abgleichen, insbesondere während des Biofilm-Abbaus durch Bakteriophagen-eigene Glykan-Depolymerasen.Depolymerasen beeinflussen so wahrscheinlich auch das Infektionsverhalten in Gemischen verschiedener Bakteriophagen-Typen. Um diese Synergieeffekte zu verstehen müssen Depolymerasen in den viralen Genomen möglichst vollständig identifiziert werden. Aufgrund ihres speziellen, strukturellen Aufbaus erfordert dies neue Algorithmen, die wir in diesem Projekt entwickeln werden. In Metagenomen werden wir damit systematisch nach Bakteriophagen-Depolymerasen suchen und somit zu einem verbesserten Verständnis von Phagen-Wirts-Beziehungen in Biofilmen beitragen. Biofilm-Depolymerasen sind zudem von hoher Bedeutung für die Biotechnologie als hochwirksame antimikrobielle Agentien zur Bekämpfung Biofilm-bildender Pathogene.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2330: Neue Konzepte der Virus-Wirt Interaktion in Prokaryoten – von Einzelzellen zu mikrobiellen Gemeinschaften
• Internationaler Bezug: Belgien, Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Abram Aertsen; Professor Dr. Martin Loessner
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Salvatore Chiantia; Dr. René Kallies; Dr. Ulisses Nunes da Rocha