Understanding the molecular mechanisms of the T6SS in Photorhabdus luminescens and their potential for biotechnology
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Die Biotechnologie befasst sich mit der Nutzung biologischer Prozesse und Organismen für praktische Anwendungen, insbesondere zur Erforschung mikrobieller Systeme. Ziel ist es, deren Mechanismen detaillierter zu verstehen, um Fortschritte in der Medizin, Landwirtschaft und Industrie zu ermöglichen. Bakterielle Sekretionssysteme bergen ein beträchtliches Potenzial für die Biotechnologie, da sie als molekulare Waffen in Bakterien dienen, so beispielsweise das Typ VI-Sekretionssystem (T6SS). Das T6SS ermöglicht es Bakterien, toxische Effektoren zu sekretieren und somit Konkurrenzorganismen zu eliminieren, was essenziell für die Fitness und den Erfolg in komplexen Umgebungen ist. Trotz seiner zentralen Bedeutung sind viele Aspekte des T6SS, insbesondere in spezifischen Bakterienarten und dessen Beitrag zu mikrobiellen Interaktionen, noch weitgehend unbekannt.
Die Untersuchung des T6SS in Photorhabdus luminescens, einem Insektenpathogen, das polymikrobielle Lebensräume wie Nematodendärme, Pflanzenwurzeln und Insektenlarven besiedelt, ist von besonderer Relevanz. Die Fähigkeit von P. luminescens, in derart unterschiedlichen Lebensräumen zu existieren, deutet auf komplexe Konkurrenzmechanismen hin, bei denen das T6SS vermutlich eine zentrale Rolle spielt. Ziel dieser Arbeit war es, die Funktion des T6SS in P. luminescens zu analysieren, um dessen Bedeutung für bakterielle Konkurrenz, Fitness und Interaktionen innerhalb mikrobieller Gemeinschaften sowie mit Wirtsorganismen besser zu verstehen, sowie das Potenzial des T6SS für die biotechnologische Anwendung zu ermitteln.
Mittels bioinformatischer Analysen konnten vier T6SS-Gencluster im Genom von P. luminescens DJC identifiziert werden, zusätzlich zu mehreren zusätzlichen Clustern, die für Effektor-Immunitäts-Paare kodieren. Diese Ergebnisse weisen auf das T6SS als entscheidenden Mechanismus hin, mit dem P. luminescens mit Konkurrenzorganismen interagiert. Proteomanalysen von Wildtyp- und T6SS-defizienten Stämmen zeigten signifikante Unterschiede in der Proteinexpression und verdeutlichten die Rolle des T6SS für die bakterielle Fitness. Insbesondere das T6SS-2 erwies sich als essenziell für die interbakterielle Konkurrenz und beeinflusste zugleich weitere Fitnessfaktoren wie die Motilität und den Sekundärstoffwechsel. T6SS-2-defiziente Stämme zeigten beispielsweise eine erhöhte Motilität und eine verstärkte Produktion von Anthrachinon, was darauf hindeutet, dass das T6SS nicht nur die bakterielle Konkurrenzfähigkeit, sondern auch andere essenzielle physiologische Prozesse beeinflusst.
Darüber hinaus variierte die T6SS- Proteinkonzentration in Stämmen ohne T6SS-Funktion, was auf einen Kompensationsmechanismus hindeutet, da T6SS-1- und T6SS-2-defiziente Stämme höhere Proteinkonzentrationen von T6SS-3 und T6SS-4 aufwiesen. Insbesondere das T6SS-3 war aufgrund seiner neuartigen Struktur und Funktion, bei der verschiedene Kernkomponenten fehlen, besonders interessant. Es wurde festgestellt, dass das T6SS-3 an der interbakteriellen Konkurrenz beteiligt ist und für vier Lipase-Effektoren kodiert, darunter Tle4A, ein antibakterieller Effektor. Die einzigartige genetische Struktur des T6SS-3, die für mehrere VgrG-Tip-Proteine mit unterschiedlichen C-terminalen Domänen kodiert, ermöglicht vermutlich den Aufbau eines Multi-Effektorkomplexes. Dadurch kann das System einen Cocktail aus toxischen Effektoren in konkurrierende Zellen injizieren und so die Konkurrenzfähigkeit von P. luminescens in verschiedenen Lebensräumen verbessern. Fluorophore Reportermikroskopie zeigte eine hohe Expressionsrate von T6SS-3 unter verschiedenen Rhizosphären ähnlichen Umweltbedingungen, wie z. B. sauren, alkalischen und hohen Salzkonzentrationen. Darüber hinaus wurde die Expression bei 37°C beobachtet, was auf eine Rolle des T6SS-3 bei der Pathogenese von Insekten hinweist. Diese Anpassungsfähigkeit deutet darauf hin, dass das T6SS-3 eine entscheidende Rolle dabei spielt, dass das Bakterium in verschiedenen Umgebungen überleben kann.
Darüber hinaus wurden zwei membranstörende Effektoren (Tme1) mit antibakterieller Aktivität identifiziert, die mit dem T6SS in Zusammenhang stehen. Diese Effektoren zerstören bakterielle Membranen, vermutlich durch Porenbildung und hemmen das bakterielle Zellwachstum. Mittels Zeitraffermikroskopie wurde gezeigt, dass Tme1A die Zellrundung, ein Kennzeichen der Porenbildung, induziert. Gleichzeitig neutralisieren die Tmi-Immunproteine (Tmi1A-F) diese toxischen Effektoren durch Bindung an die C-terminale Schleife der Tme-Effektorproteine. Um die Aktivität der Tme1-Effektoren zu ermitteln, wurden in P. luminescens durch Deletion des lux-Operons Lumineszenz-Reporter-Assays durchgeführt. So wurde ein neuer Ansatz zur Untersuchung von P. luminescens implementiert und außerdem konnte durch Reporterplasmide die Rolle von Tme1 gegen bakterielle Konkurrenten in vivo untersucht werden. Tatsächlich erwies sich Tme1A als aktiv gegen bakterielle Zellen und die Deletion von tme1A veränderte die Tötungsfähigkeit von P. luminescens. Folglich konnte die Rolle dieser Effektoren im interbakteriellen Wettbewerb eingeordnet werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Forschungsarbeit das Verständnis der komplexen Rolle der T6SSs in P. luminescens vertieft und wichtige Funktion für die bakterielle Konkurrenz und Anpassung in verschiedenen Umgebungen aufzeigt. Diese Einblicke vertiefen nicht nur das Wissen über die interbakteriellen Interaktionen, sondern eröffnen auch Möglichkeiten für zukünftige biotechnologische Anwendungen, wie die Entwicklung bakterieller Systeme für gezielte antimikrobielle Strategien.