title: Molekulare Mechanismen während der Anheftung und Biofilmbildung in Shewanella oneidensis MR-1 - Die Tücken des Besiedelns -
title: Molecular Mechanisms during Attachment and Biofilm Formation in Shewanella oneidensis MR-1- Pitfalls of Colonization -
Creators: name: Gödeke, Julia
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Biowissenschaften, Biologie
lysis
Biofilm
phage
Nuklease
nuclease
Lyse
detachment
Shewanella
Bakteriophagen

description: Grenzflächenbesiedlung durch
      robuste Bakteriengemeinschaften – sogenannten Biofilmen –
      stellt die ubiquitär verbreitete Lebensform von
      Mikroorganismen dar, um einer Vielzahl von Stressfaktoren zu
      widerstehen. Das Entwicklungsprogramm solcher Biofilme lässt
      sich in mehrere distinkte Schritte unterteilen, wobei zu
      Anfang eine zunächst transiente Anheftung Oberflächen-
      assoziierter Zellen steht, auf die eine irreversible
      Interaktion mit dem Substratum folgt. Nach der Bildung von
      Mikrokolonien entstehen im weiteren Verlauf drei-dimensionale
      Strukturen, die als charakteristisches Merkmal für Biofilme
      gelten. Das dissimilatorisch Metallionen-reduzierende
      Bakterium Shewanella oneidensis MR-1 bildet Biofilme unter
      statischen wie hydrodynamischen Bedingungen aus. Die
      Ausprägungsformen des Biofilms unterscheiden sich jedoch
      stark in Abgängigkeit von den vorherrschenden Bedingungen. So
      bildet S. oneidensis MR-1 unter statischen Bedingungen eine
      eher lockere netzartige Biofilmstruktur, durch die sich
      Zellen bewegen können. Hydrodynamische Bedingungen haben zur
      Folge, dass sich turmartige Strukturen, welche vornehmlich
      durch klonales Wachstum entstehen, ausbilden, die von einer
      dichtgepackten, widerstandsfähigen Matrix zusammengehalten
      werden. Um zelluläre Prozesse während der
      Oberflächen-Anheftung in Abhängigkeit der vorherrschenden
      Bedingung mit Hilfe von Transkriptom-Analysen zu
      identifizieren, wurde ein System zur Isolierung von
      Oberflächen-assoziierten Zellen in einem hydrodynamischen
      Umfeld etabliert. Die Transkriptom-Analysen adhärierter
      Zellen unter statischen und hydrodynamischen Bedingungen
      zeigten, dass die initiale Anheftung dieses Organismus, als
      erster Schritt in die Richtung eines sessilen Lebensstils im
      Biofilm, weitreichende Veränderungen des Transkriptoms nach
      sich zieht. Dabei lässt sich zwischen einer allgemeinen,
      jedoch umweltabhängigen Anpassung, die vor allem eine
      Reduzierung der Motilität und – unter statischen Bedingungen
      – eine rapide wie effiziente Umstellung auf anaeroben
      Stoffwechsel beinhaltet, und einer Substrat-spezifischen
      Adaption unterscheiden. So hat beispielsweise eine Anheftung
      an eine Eisen(hydr)oxid-Oberfläche zur Folge, dass –
      wahrscheinlich aufgrund des Überangebots an
      Elektronenakzeptoren – besonders Transportsysteme und
      Cytochrome reprimiert, dagegen stressabhängige Sigmafaktoren
      induziert werden. Im weiteren Verlauf der Anheftung und
      Biofilmentwicklung produzieren die S. oneidensis MR-1 Zellen
      eine Biofilm-Matrix, die zu einem entscheidenden Teil aus
      extrazellulärer DNA (eDNA) besteht. Als strukturgebendes
      Element spielt die eDNA in Biofilmen sowohl unter statischen,
      als auch unter hydrodynamischen Bedingungen eine wichtige
      Rolle. Die Herkunft dieser eDNA konnte auf zelllytische
      Prozesse – ausgelöst durch Phagen-induzierte Lyse einer
      Subpopulation von Zellen – zurückgeführt werden. Die durch
      die lytische Aktivität der drei Shewanella-eigenen Prophagen
      (MuSo1, MuSo2 und LambdaSo) freigesetzte DNA ist bereits in
      den ersten Schritten der Anheftung essenziell. Eine Mutante,
      in der alle drei Prophagen deletiert wurden, wies massive
      Defekte in allen Stadien der Biofilmbildung auf.
      Mutanten-Analysen und Infektionsstudien zeigten des Weiteren,
      dass nur die Prophagen MuSo2 und LambdaSo in den lytischen
      Lebenszyklus konvertieren und infektiöse Viruspartikel
      assemblieren können. Um die dynamische Besiedelung einer
      Oberfläche zu gewährleisten, gehen einige Zellen während
      aller Entwicklungsstufen der Biofilmbildung zu einem erneut
      planktonischen Lebensstil über. Dieser kontrollierte Übergang
      scheint unter anderem auch die Fähigkeit zur Degradierung von
      Komponenten der Biofilm-Matrix – insbesondere eDNA –
      vorauszusetzen. Zwei Kandidaten für solche DNA-degradierenden
      Prozesse stellen die extrazellulären Endonukleasen ExeM und
      ExeS dar, die vermutlich sowohl die Akkumulation, als auch
      das Ablösen von Biofilm-Biomasse aktiv mitgestalten, und
      zusätzlich – zumindest bei ExeM – in der Verwertbarkeit von
      DNA als Phosphatquelle eine Rolle spielen.
description: Microbes in nature are commonly
      found in surface-associated communities, now often referred
      to as biofilms, leading to drastically altered properties
      compared to planktonic cells. The biofilm formation is
      strongly dependent on the environmental conditions such as
      nutrient and oxygen supply. Its developmental program can be
      divided into several phases. Initial attachment marks the
      onset of a bacterial life style switch, where single cells
      attach to a substratum initially in a transiently associated
      manner before becoming permanently immobilized. The permanent
      attachment sets the base for subsequent production of
      extracellular polymeric substances (biofilm matrix) and
      biofilm formation. However, signals and regulatory events
      underlying these initial processes are still mostly unknown.
      The dissimilatory iron-reducing bacterium Shewanella
      oneidensis MR-1 forms biofilms in hydrodynamic and static
      systems, reflecting different natural habitats. Under static
      conditions, biofilm development occurs entirely different
      from hydrodynamically-grown biofilm as the cells form a
      flexible sturdy network of cells without the characteristic
      three-dimensional structures that are typical for flow-cell
      cultured biofilms. To identify genetic requirements for the
      cellular attachment – as first step in the biofilm formation
      – in different environments through transcriptome analyses, a
      novel system for harvesting surface-attached cells under
      hydrodynamic conditions was successfully established. The
      microarray analyses of attached cells in static and
      hydrodynamic environments revealed that transition between
      the planktonic compartment and the surface leads to dramatic
      changes in the expression profile of the surface-associated
      cells. While reduction of motility and rapid adaption to
      changes in oxygen levels represent an ubiquitous
      stage-specific genetic requirement, the initial attachment of
      the cells can also entail substrate-specific genetic
      responses. Therefore, the attachment to the redox-active
      substratum iron (hydr)oxide results in a drastically reduced
      synthesis of cytochromes and transporters, but leads to the
      induction of stress-dependent sigma factors. Hence, the
      genetic changes in initially attached S. oneidensis MR-1
      cells improve the adaptation to the sessile life style.
      Following initial attachment, S. oneidensis MR-1 cells start
      forming biofilm structures and are encased in a self-produced
      sticky biofilm matrix with extracellular DNA (eDNA) as a
      major component. The eDNA not only serves as structural
      component in all stages of biofilm formation under static and
      hydrodynamic conditions, but is also required for proper
      attachment of the cells in different environments. The
      release of eDNA during early and later stages of biofilm
      formation is mediated via cell lysis of a subpopulation of
      biofilm cells through the lytic activity of the three S.
      oneidensis MR-1 prophages, MuSo1, MuSo2 and LambdaSo.
      However, mutant analyses and infection studies revealed that
      only LambdaSo and MuSo2 form infectious phage particles. A
      mutant lacking all three prophages is defective in all stages
      of biofilm formation. Thus, the prophage-mediated lysis
      result in the release of crucial attachment- and
      biofilm-promoting factors, in particular eDNA. In addition to
      the function of eDNA, the role of two extracellular
      endonucleases, ExeM and ExeS, was analyzed. While ExeM is
      involved in degrading external DNA as sole source of
      phosphorus, ExeS does not seem to have a function in
      utilizing DNA in S. oneidensis MR-1. However, both nucleases
      are likely to be involved in degrading eDNA within the matrix
      of biofilms. This process is essential for detachment events
      in biofilms giving rise to viable planktonic cells capable of
      attaching to non-occupied areas on the surface of the
      habitat.