Expression dynamics of the CfrBI restriction-modification system in single cells and the impact on restriction of phage infection for the bacterial population

• Applicant: Dr. Johannes Gibhardt, from 8/2022 until 7/2023
• Subject Area: Metabolism, Biochemistry and Genetics of Microorganisms
• Term: since 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 517716052

Multi-Antibiotika resistente Bakterien sind ein immer größer werdendes Problem in der modernen Medizin. Deswegen ist es wichtig, dass vermehrt neue Strategien erforscht werden um Pathogene zu bekämpfen. Bakteriophagen sind Bakterien-spezifische Viren und aufgrund ihrer hohen Wirtsspezifität und Effektivität in der Lyse von Bakterien ein vielversprechendes Werkzeug. Bakterien können allerdings auch Resistenzen gegen Phagen entwickeln und diese wiederum können die Resistenzen überwinden. Deswegen ist weitere Forschung in dem Bereich nötig, um das Wechselspiel und die Ko-Evolution zwischen Bakterien und Phagen zu verstehen. Eine der am weitesten verbreitetsten und mobilsten Mechanismen die Bakterien nutzen um Infektionen mit Phagen abzuwehren, sind Restriktions-Modifikationssysteme (R-M Systeme). Diese Systeme erkennen eine spezifische DNA Sequenz und bestehen aus einer Methyltransferase (MT) und einer Restriktionsendonuklease (RE), welche die DNA nach Bindung der Erkennungssequenz entweder methylieren (MT) oder zerschneiden (RE). Hierbei führt die Methylierung zur Resistenz der Erkennungssequenz gegenüber der spezifischen RE. Wenn eine bakterielle Zelle ein solches System über ein Plasmid aufnimmt, ist die orchestrierte Expression daher entscheidend, damit das protektive System etabliert werden kann und um die Methylierung von Phagen-DNA zu vermeiden, das das System somit wirkungslos wäre und Phagen entstehen würden, die resistent sind und somit die komplette Population bedrohen. Es wurden zwar Fortschritte in der Erforschung der Regulationsmechanismen von R-M Systemen im Allgemeinen gemacht, aber wenig ist bisher bekannt über deren Regulation in vivo. Dieses Vorhaben soll deswegen unser Wissen über die Regulation von R-M Systemen in vivo, die Dynamik der Genexpression während der Etablierung des Systems, die involvierten Faktoren und die Konsequenzen der protektiven Funktion auf Einzelzellen und Populationen erweitern. Außerdem werden die gewonnenen neuen Erkenntnisse helfen, unser Verständnis der Interkation und Koevolution von Bakterien und Phagen und deren Nutzen als antibakterielle Agenzien in der Phagen Therapie ausbauen.

• DFG Programme: WBP Position