Metabolismus und Antibiotikaresistenz von Pseudomonas aeruginosa unter simulierten Respirationstraktbedingungen

Thoma, Sabrina

Das Bakterium Pseudomonas aeruginosa verursacht schwere, chronische Lungeninfektionen bei Patienten mit der Stoffwechselkrankheit Mukoviszidose, die nicht durch Antibiotika behandelt werden können. Ziel dieser Arbeit war es, die Infektionsbedingungen und Antibiotikabehandlungen mit einem artifiziellem Sputum Medium zu simulieren, um Hinweise auf die Faktoren zu erhalten, die für die hohe Antibiotikaresistenz von P. aeruginosa verantwortlich sind. Während einer chronischen Infektion befindet sich P. aeruginosa in einem sauerstofffreien Mikromilieu und kann durch die Veratmung von Nitrat überleben und wachsen. Daher wurde die Antibiotikaresistenz von P. aeruginosa beim Wachstum auf artifiziellem Sputum Medium unter anaeroben Bedingungen bei unterschiedlichen Nitratkonzentrationen getestet. Es konnte gezeigt werden, dass die Antibiotikaresistenz von P. aeruginosa gerade bei Nitratkonzentrationen, die in der Lunge von Mukoviszidosepatienten nachgewiesen wurden, dramatisch zunimmt. Um die Physiologie von P. aeruginosa unter diesen Bedingungen zu untersuchen, wurden Transkriptom-, Proteom- und Metabolomanalysen sowie Mutantenstudien durchgeführt. Hiermit konnten folgende Faktoren identifiziert werden, die an einer erhöhten Antibiotikaresistenz beteiligt sind: Eine Glycerol-3-Phosphat-Dehydrogenase (GlpD), die S-Adenosylhomocystein-Hydrolase (SahH), ein Porin der äußeren Membran (OprD), das Polyamin Spermidin und eine Effluxpumpe (MexAB-OprM). Die Beteiligung der identifizierten Faktoren konnte durch Mutationsexperimente bestätigt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit identifizierten neue Resistenzfaktoren, die unter Infektionsbedingungen wichtig sind. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass es mit dem artifiziellem System möglich ist, neue Antibiotika und Zielstrukturen zu identifizieren und zu testen.

Pseudomonas aeruginosa causes chronic lung infections in cystic fibrosis (CF) patients and cannot be eradicated by antibiotic treatment. The aim of this study was to simulate conditions in the CF lung during chronic infection using an artificial sputum medium and to identify the factors in P. aeruginosa, which contribute to an increased antibiotic resistance. During chronic lung infection, P. aeruginosa resides in an anaerobic microenvironment and grows and survives by respiration of nitrate. Therefore, I tested antibiotic resistance of P. aeruginosa colony biofilms in artificial sputum medium under anaerobic conditions in response to different nitrate conditions. I noticed a dramatic increase in antibiotic resistance when nitrate concentrations were in the range similar to those reported in the lungs of CF-patients. A comprehensive transcriptome, proteome and metabolome analyses identified several factors, which contribute to an increased antibiotic resistance under these conditions. These include a glycerol-3-phosphate dehydrogenase (GlpD), the S-adenosylhomocysteine hydrolase (SahH), the outer membrane protein (OprD), the polyamine spermidine and an efflux pump (MexAB-OprM). After the deletion of the genes essential for the synthesis of the corresponding factors, the antibiotic resistance of these mutants was compared to PAO1. I observed an increased sensitivity of the single mutants and an additive effect on the antibiotic sensitivity in double and triple mutants. The results of this study indicate that beside known resistance factors as efflux pumps additional factors as enzymes of metabolic pathways contribute to an increase of antibiotic resistance via unknown mechanisms. Moreover, I was able to show that the artificial sputum medium is suitable for identification of new antibiotic targets and test of antibiotics.

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Thoma, Sabrina: Metabolismus und Antibiotikaresistenz von Pseudomonas aeruginosa unter simulierten Respirationstraktbedingungen. 2009.

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