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Forschung

Wechselwirkungen zwischen der Mikrobiota und Erregern

Zur Untersuchung der Erreger-Wirt Interaktion verwenden wir sogenannte gnotobiotische Mausmodelle (griechisch: gnotos= bekannt). Keimfreien Tieren, welche ohne Kontakt zu Mikroorganismen geboren wurden, implantieren wir definierte Konsortien von Mikroorganismen. Wir verwenden verschiedene molekularbiologische Methoden wie quantitativer PCR, Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) und 16S rRNA Amplikon Sequenzierung um die einzelnen Bakterien sowohl (qualitativ) räumlich als auch quantitativ zu beschreiben. Des Weiteren entwickeln wir Infektionsmodelle um die wesentlichen Aspekte der Erreger-Mikrobiota Interaktion während einer Infektion zu untersuchen. Wir verwenden reduktionistische Mausmodelle um folgende Themen zu bearbeiten: (i) die Entwicklung des mikrobiellen Ökosystems und dessen Funktion, (ii) den Einfluss der Mikrobiota auf das Immunsystem des Wirts und dessen Metabolismus, (iii) mechanistische Studien zur „Ursache und Wirkung“ der schützenden Funktion der Mikrobiota bei Infektionskrankheiten und der Einfluss des Immunsystems und der Muzin-Barriere auf die Mikrobiota (Finanzierung: DFG-SPP1656; www.intestinal-microbiota.de ).

CEGIMIR (Center for Gastrointestinal Microbiome Research): Als Teil des Deutschen Zentrums für Infektionsforschung entwickeln wir Protokolle für Mikrobiomanalysen von humanen Proben (16S rRNA und Metagenom-basierte Strategien), zur Identifizierung von Mirkobiom-assoziierten Biomarkern und zum Verständnis der Rolle der Mikrobiota bei Infektionen im Menschen.


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Brugiroux S, Beutler M, Pfann C, et al. (2016) Genome-guided design of a defined mouse microbiota that confers colonization resistance against Salmonella enterica serovar Typhimurium. Nat Microbiol 2: 16215.
  • Lagkouvardos I, Pukall R, Abt B, et al. (2016) The Mouse Intestinal Bacterial Collection (miBC) provides host-specific insight into cultured diversity and functional potential of the gut microbiota. Nat Microbiol 1: 16131.
  • Stecher B, Berry D & Loy A (2013) Colonization resistance and microbial ecophysiology: using gnotobiotic mouse models and single-cell technology to explore the intestinal jungle. FEMS Microbiol Rev 37: 793-829.
  • Stecher B, Robbiani R, Walker AW, et al. (2007) Salmonella enterica Serovar Typhimurium Exploits Inflammation to Compete with the Intestinal Microbiota. PLoS Biol 5: e244.

Die Bedeutung von Colizinen als bakteriellen Fitnessfaktoren im entzündeten Darm

Colizine sind antibakterielle Moleküle, welche von Bakterien der Familie Enterobacteriaceae (z.B. E. coli und Salmonella enterica) produziert werden. Ihre antibakterielle Wirkung richtet sich insbesondere gegen nah verwandte Bakterien. Colizine dienen somit dem Produzenten als Waffe gegenüber Colizin-empfindlichen Kompetitoren bei der Besiedlung derselben ökologischen Nische. Colizine dienen somit als „common good“ für die gesamte Population der Produzenten. Allerdings birgt die Produktion erhebliche Kosten für Colizin-produzierende Bakterien. Zum einen ist die Synthese des Colizins mit einem erhöhten Energieaufwand verbunden. Zum anderen wird die Freisetzung der Colizine durch Lyse der einzelnen Bakterien vermittelt.
Wie lösen Bakterien dieses Problem? Colizin-Produzenten nutzen dafür die Strategie der “Arbeitsteilung”. Das bedeutet, dass nur ein kleiner Teil der Population die lethale Produktion des Colizins übernimmt und sich somit für den übrigen Teil der Population aufopfert. Am Ende  entsteht durch diese Strategie ein Fitnessvorteil der Gesamtpopulation gegenüber konkurrierenden Colizin-sensitiven Bakterien. Dies ist vor allem ein Vorteil unter Bedingungen mit einer potentiell hohen Frequenz von möglichen Konkurrenten. Innerhalb des von der DFG geförderten Schwerpunktprogrammes SPP1617 (http://spp1617.de/) untersuchen wir, wie eine heterogene Expression von Colizinen die Fitness von humanpathogenen Salmonellen gegenüber nahe verwandten Konkurrenten erhöhen kann. Mit Hilfe von Reporterstämmen charakterisieren wir die Colizin-Expression in Salmonellen mittels FACS-Analysen sowie „Live-cell“ Mikroskopie. Evolutionsmodelle basierend auf in vitro Beobachtungen lassen vermuten, dass Colizine eine wichtigen Beitrag zur Dynamik von Bakterienpopulationen im Darm spielen sollten. Die Frage ist, unter welchen Bedingungen dies der Fall ist. Kürzlich konnten wir zeigen, dass eine Entzündungsreaktion im Darm die Synthese von Colizin induziert. In Abwesenheit von Entzündung brachte die Produktion von Colizin keinen messbaren Vorteil für die Bakterien. Diese Beobachtung könnte erklären, warum stark ausgeprägte Phänotypen einer Colizin-Produktion in vitro beobachtet wurden, welche jedoch in vivo im Tiermodell bislang nicht reproduziert werden konnten.

Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Spriewald S, Glaser J, Beutler M, Koeppel MB & Stecher B (2015) Reporters for Single-Cell Analysis of Colicin Ib Expression in Salmonella enterica Serovar Typhimurium. PLoS ONE 10: e0144647.
  • Nedialkova, L. P., R. Denzler, M. B. Koeppel, M. Diehl, D. Ring, T. Wille, R. G. Gerlach & B. Stecher, (2014)
  • Inflammation fuels Colizin Ib-dependent competition of Salmonella serovar Typhimurium and E. coli in enterobacterial blooms. PLoS Pathog 10: e1003844.
  • Stecher, B., R. Denzler, L. Maier, F. Bernet, M. J. Sanders, D. J. Pickard, M. Barthel, A. M. Westendorf, K. A. Krogfelt, A. W. Walker, M. Ackermann, U. Dobrindt, N. R. Thomson & W. D. Hardt, (2012) Gut inflammation can boost horizontal gene transfer between pathogenic and commensal Enterobacteriaceae. Proc Natl Acad Sci U S A 109: 1269-1274.
  • Stecher, B., L. Maier & W. D. Hardt, (2013) 'Blooming' in the gut: how dysbiosis might contribute to pathogen evolution. Nat Rev Microbiol 11: 277-284.