Proteomics and kinetic modeling analysis of 4-chlorosalicylate degrading bacterial community

Bobadilla Fazzini, Roberto Andres

Die komplexen Interaktionen, die in natürlichen Systemen zwischen der Vielzahl an Mitgliedern mikrobieller Gemeinschaften stattfinden, beschränken die Analyse und das Verständnis dieser Systeme. In der vorliegenden Arbeit wurden Reinkulturen des Stammes Pseudomonas sp. Stamm MT1 und eine stabile Gemeinschaft aus MT1 und Achromobacter xylosoxidans Stamm MT3, verglichen und als Modell zur Analyse bakterieller Interaktionen unter verschiedenen Umweltbedingungen genutzt. Beide Organismen sind Mitglieder einer komplexeren Gemeinschaft, die auf Grund ihrer Fähigkeit 4-Chlorsalicylsäre abzubauen, aus einem verunreinigten Sediment gewonnen wurde. Die Analyse stabiler und dynamischer Zustände wurde auf der Ebene des Proteoms, des metabolischen Profils und der Population durchgeführt. Eine Referenzkarte des Proteoms von Pseudomonas sp. MT1 wurde erstellt, die aus 118 identifizierten Proteinen besteht und sowohl Membranproteine, als auch Proteine, die am Abbau aromatischer Verbindungen beteiligt sind, enthält. Unterschiede in der Expression dieser Referenzproteine in Reinkultur als auch Mischkultur wurden unter Kohlenstoff-limitierenden Bedingungen mit 4-Chlorslicylsäure als einziger Kohlenstoffquelle und nach Zugabe hoher Konzentrationen an Substrat als auch toxischer Zwischenprodukte des Abbaus (4-Chlorbrenzcatechin (4CC), Protoanemonin) untersucht. Studien unter Kohlenstoff-limitierenden Bedingungen zeigten eine im Vergleich zur Reinkultur erhöhte metabolische Flexibilität der Gemeinschaft und wiesen auf einen alternativen Abbauweg für das Substrat hin. Sowohl die Anwesenheit des Stammes A. xylosoxidans MT3, als auch Unterschiede in den Kulturbedingungen resultierten in signifikanten Änderungen der Zusammensetzung der äußeren Membran des Stammes MT1 und verdeutlichten die Bedeutung dieser als „sensing/response“ Schutzeinrichtung mit hoher selektiver Permeabilität. Bemerkenswerterweise führten Schockbelastungen mit 4-Chlorsalicylsäure zu einer Stressantwort in Reinkultur, aber zu einer „metabolischen“ Antwort in der Gemeinschaft, in welcher A. xylosoxidans MT3 die Akkumulation toxischer Zwischenprodukte verhinderte. Dieses zeigt eine koordinierte metabolische Antwort auf der Ebene der Gemeinschaft. Darüber hinaus wurde ein kinetisches metabolisches Modell für den Stamm MT1 und die Gemeinschaft entwickelt. Dieses Modell zeichnete sich durch seine Vorhersagekraft aus und führte die Robustheit der Gemeinschaft auf das erhöhte Abbaupotential zurück.

Complex interactions take place among members of natural microbial communities limiting the study of these important biological systems. In this study, a comparison between pure cultures of Pseudomonas sp. strain MT1 and stable community cultures composed by the former one plus addition of Achromobacter xylosoxidans strain MT3, both members of a real community isolated from a polluted sediment, were used as a model system to study the bacterial interactions that take place under severe environmental states. The analysis of steady and dynamic states, was carried out at the proteome, metabolic profile and population dynamic level. A proteome reference map for Pseudomonas sp. MT1 was created consisting of 118 different proteins from several functional groups, including aromatic degradation pathways and outer membrane proteins, whose differential expression was evaluated at 4CS limiting conditions and under exposure to high concentrations of substrate and toxic intermediates (4-chlorocatechol (4CC) and protoanemonin). Carbon-limiting studies showed a higher metabolic versatility in the community, indicating a possible alternative carbon routing in the upper degradation pathway. A significant change in the outer membrane composition of Pseudomonas sp. MT1 was observed in the presence of A. xylosoxidans MT3 as well as under different culture conditions, demonstrating the importance of the outer membrane as a sensing/response protection barrier with high selective permeability. Remarkably, 4CS shock loads generated a stress response in the pure culture and a 'metabolic response' in the community, where A. xylosoxidans MT3 helped to prevent toxic intermediates accumulation, showing a coordinated metabolic response at the community level. Finally, a kinetic metabolic model was initially developed for pure strain MT1 and community cultures, showing predictive capacity and attributing the robustness of the community to the enhanced biodegradative potential.

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Bobadilla Fazzini, Roberto Andres: Proteomics and kinetic modeling analysis of 4-chlorosalicylate degrading bacterial community. 2006.

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