Clostridioides difficile 630Δerm in silico und in vivo: Reannotation und quantitative metabolische Modellierung

Dannheim, Henning

Clostridioides difficile verursacht Antibiotika-assoziierte Infektionen des Dickdarms, deren Symptome von Durchfall bis zu pseudomembranöser Kolitis und Sepsis reichen. Da die Virulenz hauptsächlich auf den Toxinen beruht, deren Produktion eng an den Metabolismus gekoppelt ist, stellen eine aktuelle und hochwertige Genomannotation sowie ein metabolischen Modell eine wichtige Grundlage für ein besseres Verständnis des Organismus dar. Das Genom der Stämme 630 und 630Δerm wurde im Zuge dieser Arbeit manuell reannotiert, wobei bei 57 % der Gene Genname, Produktname oder EC-Nummer geändert wurden. Außerdem wurden, basierend auf genomischen Analysen, vollständig neue Genfunktionen vorgeschlagen. Die Annotation des Stammes 630Δerm wurde für die Erstellung des genomweiten metabolischen Modells i HD992 verwendet. Bioinformatische Analysen in Kombination mit Laborexperimenten führten zur Entdeckung eines zuvor unbekannten Exopolysaccharids, dessen Struktur und Biosyntheseweg postuliert werden konnte. Unter Einbeziehung der Exopolysaccharid-Produktion konnten mittels dynamischer Flussbilanzanalyse quantitative und zeitaufgelöste Simulationen des Wachstums und der Produktbildung durchgeführt werden. In Minimalmedium sind Wachstum und Sekretion des Polysaccharids gekoppelt. Dies legt eine Verbindung zur Kapsel- und Biofilmbildung nahe. Basierend auf der Produktion von organischen Säuren in silico und in vivo werden die Bedeutung des Wood-Ljungdahl-Wegs, der Fermentationsweg zu Propanoat und die Stöchiometrie der ATP-Synthasen diskutiert. iHD992 ist das erste Modell, das quantitative Simulationen von Clostridioides difficile erlaubt und somit für in situ-Simulationen verwendet werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern das Verständnis des Organismus, wodurch systembiologische Projekte aber auch die gesamte Forschung an C. difficile profitieren und neue Forschungsansätze möglich werden.

Clostridioides difficile causes antibiotic-associated infections of the colon with symptoms ranging from diarrhea to pseudomembranous colitis and sepsis. The virulence is mainly associated with the toxins, whose productions are tightly connected to the metabolism. Thus a contemporary high quality genome annotation as well a metabolic model are an important basis for the comprehension of the organism. In this work, the genomes of the strains 630 and 630Δerm were manually reannotated. Therefore, either gene names, gene product names or assigned EC numbers for 57 % of the genes were modified. In addition, completely new gene functions were proposed based on genomic analysis. The annotation of strain 630Δerm was used for the construction of the genome-scale metabolic model iHD992. Combined bioinformatical analyses and laboratory experiment led to the discovery of a previously unknown exopolysaccharide, whose structure and biosynthesis pathway could be postulated. Using dynamic flux balance analysis and including the production of the exopolysaccharide, quantitative and time-resolved simulations of growth and product formation were possible. In minimal medium, the polysaccharide secretion and growth are coupled, suggesting a connection to capsule and biofilm formation. Based on the production of organic acids in silico and in vivo, the importance of the Wood-Ljungdahl pathway, the propanoate fermentation pathway and the stoichiometry of the ATP-synthases are discussed. iHD992 is the first model, which is capable to simulate quantitative growth and can therefore be used for the simulation of in situ behavior. The results of this work extend the comprehension of the organism, supporting projects in systems biology as well as the whole research on C. difficile and make new research projects possible.

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Dannheim, Henning: Clostridioides difficile 630Δerm in silico und in vivo: Reannotation und quantitative metabolische Modellierung. 2017.

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