Mechanisms of bacterial interaction in phototrophic consortia

Henke, Petra

Bakterielle Interaktionen spielen eine wichtige Rolle in der Umwelt. So genannte Konsortien stellen eine weit entwickelte bakterielle Interaktion zwischen nicht-verwandten Prokaryoten dar und stehen im permanenten Zell-Zell-Kontakt. Ein wertvolles Modellsystem zur Erforschung der Symbiose ist das im Labor kultivierbare phototrophe Konsortium “Chlorochromatium aggregatum”. “C. aggregatum” besteht aus dem grünen Schwefelbakterium Chlorobium chlorochromatii, auch als Epibiont bezeichnet, welche strukturiert um ein zentrales Betaproteobakterium angeordnet sind. Diese Arbeit fasst Laborexperimente zusammen, die die Erforschung der molekularen und physiologischen Mechanismen der bakteriellen Interaktion im Konsortium “C. aggregatum” zum Ziel hatte. Bereits beschriebene, putative Symbioseproteine sind, im Vergleich zu 11 weiteren Genomen von freilebenden Verwandten, einzigartig für Chl. chlorochromatii und enthalten Virulenzfaktoren. Polyklonale Antikörper wurden für die Lokalisierung von Cag_0614, Cag_0616 und Cag_1919 innerhalb des Konsortiums hergestellt. Die Expression der drei Symbioseproteine im Epibionten sowie der Transfer zum Zentralbakterium wurden gezeigt. Somit sind Proteine mit Virulenzfaktoren an der symbiotischen Beziehung zwischen zwei verschiedenen Bakterien beteiligt. Die metabolische Kopplung zwischen den beiden Partnerorganismen wurde untersucht, indem der Fluss von Isotop markiertem Kohlenstoff und Stickstoff mittels nanoSIMS Analyse verfolgt wurde. Die Messungen zeigten einen simultanen Transfer des markierten Kohlenstoffes vom Epibionten zum Zentralbakterium, welches auf den Transfer von neu synthetisierten kleinen organischen Komponenten, anstelle von Makromolekülen, hinweist. Abhängig von der Verfügbarkeit von Stickstoff für die Epibiontenzellen änderte sich dieser Kohlenstofffluss. Konsortien sind außerdem nicht in der Lage allein mit atmosphärischem Stickstoff zu wachsen, obwohl die Assoziation mit stickstofffixierenden Bakterien als ein kompetitiver Vorteil für das Zentralbakterium postuliert wurde. Da Berichten zur Folge Saragossasäure in der Lage ist die Bildung von Biofilmen zu inhibieren, wurde der Effekt dieser Säure auf die Stabilität der Konsortienaggregate getestet. Bei Zugabe von Saragossasäure stieg die Zahl der einzelnen Epibionten und disaggregierten Konsortien an. In Folge dessen wurde die Inhibierung einer Squalensynthase in Betracht gezogen und eine daraus resultierende Störung von funktionellen Mikrodomänen.

Bacterial interactions play an important role in nature in which so-called consortia appear to represent the most developed type of bacterial interaction between non-related prokaryotes which maintain permanent cell-to-cell contact. A valuable model system for studying symbiosis is the phototrophic consortium “Chlorochromatium aggregatum”, which can be maintained in a laboratory culture. “C. aggregatum” consists of green sulfur bacteria; Chlorobium chlorochromatii also termed epibionts, which surround a central, Betaproteobacterium in a highly structured arrangement. This thesis summarizes laboratory experiments which had the objective to elucidate the molecular and physiological mechanisms of the bacterial interaction in the consortium “C. aggregatum”. Previously described putative symbiotic proteins which are unique to Chl. chlorochromatii compared to 11 genomes of free-living relatives and contain virulence factors, were localized within the consortium. Polyclonal antibodies were produced targeting the protein products of Cag_0614, Cag_0616 and Cag_1919. The expression of these three symbiotic proteins in the epibiont and the subsequent transfer to the central bacterium could be shown. Therefore proteins containing virulence factors are involved in the symbiotic relationship between two different bacteria. Metabolic coupling between the two partner bacteria in the consortium was investigated by tracking the flux of isotope-labelled carbon and nitrogen through the two partner organisms using nanoSIMS analysis. Measurements showed a simultaneous transfer of labelled carbon from the epibiont to the central bacterium, indicating the transfer of newly synthesized small organic matter instead of macromelcules. Depending on the nitrogen availability of the epibiont cell, the flux of carbon changed. Measurements also showed that consortia are not likely to grow solely on nitrogen gas, although the association with bacteria capable of nitrogen fixation was considered a competitive advantage for the central bacterium. The effect of zaragozic acid on consortia aggregates was tested, due to reports of its ability to inhibit biofilm formation of bacteria. The number of single epibionts and the number of disaggregated consortia in cultivations with zaragozic acid increased. Thus the possible inhibition of squalene synthase was theorized and the implications for the disruption of functional microdomains considered.

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Henke, Petra: Mechanisms of bacterial interaction in phototrophic consortia. 2016.

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