Diss. med. vet. Bern (kein Austausch). / Literaturverz.

This thesis is divided into three parts with the main goal allocating novel antimicrobial compounds that could be used as future antibiotics. The first part aimed to evaluate the potential of plant suspension cultures for the production of antimicrobial proteins. The extracellular, intracellular and cell wall bound fractions of seven heterotrophic and photomixotrophic plant cell suspension cultures treated with nine different elicitors were tested for the elicitor dependent production of antimicrobial proteins. Bioactivities were tested against a selected panel of human isolates including Gram-positive and Gram-negative bacteria as well as fungi using the disc diffusion assay. The intracellular fractions of elicited cell cultures were more active than extracellular fractions while the cell wall bound fractions showed lowest activities. Among the 21 fractions tested, the intracellular fraction of Lavendula angustifolia elicited with DC3000 was most active against Candida maltosa. The second most active fraction was the intracellular fraction of Arabidopsis thaliana elicited with salicylic acid which was moreover active against all test strains. The antimicrobial activity of elicited Arabidopsis thaliana cell cultures was tested by bioautography to locate the antimicrobial proteins in the crude extract. The intracellular fraction of photomixotrophic Arabidopsis thaliana cells elicited with salicylic acid was selected for further gel filtration chromatography on S-200 column leading to the purification of one 19 kDa antimicrobially active protein, designated, AtAMP. Our findings suggest that elicited plant cell cultures may present a new promising alternative source of antimicrobial proteins. The second part comprises the isolation of actinomycetes associated with marine sponges and testing the bioactivities of new species for further investigations. Actinobacterial communities of eleven taxonomically different sponges that had been collected from offshore Ras Mohamed (Egypt) and from Rovinj (Croatia) were investigated by a culture-based approach using different standard media for isolation of actinomycetes and media enriched with aqueous sponge extract to target rare and new actinomycete species. Phylogenetic characterization of 52 representative isolates out of 90 based on almost complete sequences of genes encoding 16S rRNA supported their assignment to 18 different actinomycete genera. Altogether 14 putatively new species were identified based on sequence similarity values below 98.2% to other strains in the NCBI database. The use of M1 agar amended with aqueous sponge extract yielded a putative new genus related to Rubrobacter which highlighting the need for innovative cultivation protocols. Biological activity testing showed that five isolates were active against Gram-positives only, one isolate was active against Candida albicans only and one isolate showed activity against both groups of pathogens. Moreover, the antiparasistic activity was documented for four isolates. These results showed a high diversity of actinomycetes associated with marine sponges as well as highlighted their potential to produce anti-infective agents. The third part of the thesis focused on the isolation and structure elucidation of new bioactive compounds. Streptomyces strain RV15 recovered from sponge Dysidea tupha, was selected for further chemical analysis by virtue of the fact that it exhibited the greatest antimicrobial potential against Staphylococcus aureus as well as Candida albicans among the all tested strains. Moreover, members of the genus Streptomyces are well known as prolific producers of interesting pharmacologically active metabolites. Chemical analysis of the methanolic crude extract using different chromatographic tools yielded four new compounds. The structures of the new compounds were spectroscopically elucidated to be four new cyclic peptides, namely, cyclodysidins A-D. Their bioactivity was tested against different proteases, bacteria and Candida as well as tumor cell lines. The compounds did not show any significant activities at this point. / Die hier vorliegende Dissertation ist in drei Kapitel gegliedert und hatte die Bereitstellung neuer antimikrobieller Substanzen, die zukünftig als Antibiotika genutzt werden könnten, zum Hauptziel. Das erste Kapitel befasst sich mit dem Potenzial von Pflanzen zur Produktion von Proteinen mit antimikrobieller Wirkung. Pflanzenzellkulturen wurden mit neun verschiedenen Induktoren stimuliert und anschließend auf die Produktion von Proteinen mit antimikrobieller Wirkung hin untersucht. Dafür wurden die extra-, intrazellulären sowie die membrangebundenen Proteinfraktionen von sieben heterotrophen und photomixotrophen Pflanzenzellkulturen extrahiert. Mittels Diffusionstests wurden die Wirkung der Proteine gegen eine Sammlung menschlicher Pathogene inklusive Gram-positiver und Gram-negativer Bakterien, sowie Pilze getestet. Die intrazellulären Fraktionen zeigten dabei höhere Aktivitäten als die extrazellulären, wohingegen die membrangebundenen Proteine die geringsten Aktivitäten aufwiesen. Von den insgesamt 21 getesteten Proteinfraktionen wies die mit DC3000 induzierte intrazelluläre Fraktion von Lavendula angustifolia die größte Wirkung gegen Candida maltosa auf. Die mit Salicylsäure induzierte intrazelluläre Proteinfraktion von Arabidopsis thaliana zeigte eine Hemmung aller getesteten pathogenen Stämme. Die antimikrobielle Aktivität der induzierten Arabidopsis thaliana-Zellkultur wurde mittels Bioautography weiter untersucht, um das wirksame Protein im Gesamt-(Roh-) extrakt einzugrenzen. Die intrazelluläre Fraktion der photomixotrophen Arabidopsis thaliana-Zellkultur wurde ausgewählt, um ein 19 kDa Protein mit antimikrobieller Wirkung, genannt AtAMP, mittels Gelfitrationschromatography über eine S-200 Säule aufzureinigen. Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass induzierte Pflanzenzellkulturen zukünftig als aussichtsreiche alternative Quelle für antimikrobiell wirksame Proteine herangezogen werden können. Der zweite Teil dieser Dissertation beinhaltet die Isolation von mit marinen Schwämmen assoziierten Actinomyceten und deren Testung auf Bioaktivität. Aus 11 taxonomisch verschiedenen, an den Küsten von Ras Mohamed (Ägypten) und Rovinj (Kroatien) gesammelten Schwammspezies, wurden Actinobakterien auf verschiedenen Standardmedien kultiviert. Um seltene, neue Stämme zu isolieren, wurden diese Medien mit wässrigen Schwammextrakten angereichert. Die auf der 16S rRNA-Gensequenz basierenden phylogenetischen Charakterisierung von 52 der insgesamt 90 Isolate, zeigte die Zugehörigkeit zu 18 verschiedenen Actinomyceten-Gattungen. Die 16S rRNA-Gene von 14 Isolaten zeigten Homologien von weniger als 98,2% zu denen anderer in Datenbanken abgelegten Bakterien und stellen somit vermutlich neue Arten dar. Die Verwendung von mit Schwammextrakt angereichertem M1-Agar resultierte in der Kultivierung einer mutmaßlich neuen, mit Rubrobacter verwandten Gattung und bestätigt die Notwendigkeit der Entwicklung neuer innovativer Kultivierungsprotokolle. Aktivitätstests von fünf Isolaten zeigten deren hemmende Wirkung nur gegen Gram-positive Bakterien, ein Isolat zeigte Aktivität nur gegen Candida albicans und ein Isolat war wirksam gegen beide genannten Pathogengruppen. Desweiteren konnten antiparasitäre Wirkungen von vier Isolaten dokumentiert werden. Die hier beschriebenen Ergebnisse zeigen die große Diversität von mit Schwämmen assoziierten Actinomyceten und deren Potential Antiinfektiva zu produzieren. Der dritte Teil dieser Arbeit fokussierte sich auf die Isolation und Strukturaufklärung neuer bioaktiver Substanzen. Streptomyceten sind bekannt für die Produktion von interessanten, pharmakologisch aktiven Metaboliten. Der aus dem Schwamm Dysidea tupha isolierte Stamm Streptomyces RV 15 zeigte eine hohe Aktivität gegen Staphylococcus aureus und C. albicans und wurde deshalb für nähere Untersuchungen ausgewählt. Die chemische Analyse des Methanol-Rohextrakts unter der Verwendung verschiedener Chromatographie-Verfahren resultierte in der Isolation von vier Substanzen. Die spektroskopische Analyse zeigte, dass diese neuen Substanzen zyklische Peptidstrukturen aufweisen und wurden daraufhin als Cyclodysidin A-D benannt. Die Bioaktivitäten dieser Substanzen wurden gegen verschiedene Proteasen, Bakterien und Candida sowie gegen verschiedene Tumorzelllinien getestet. Bis zum jetzigen Zeitpunkt zeigte keine der getesteten Peptide eine aussagekräftige Wirkung.

Zugl.: Berlin, Freie University, Diss., 2009.

Zugl.: Berlin, Freie Univ., Diss., 2010

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

The obligate human pathogen Neisseria gonorrhoeae is responsible for the widespread sexually transmitted disease gonorrhoea, which in rare cases also leads to the development of disseminated gonococcal infection (DGI). DGI is mediated by PorBIA-expressing bacteria that invade host cells under low phosphate condition by interaction with the scavenger receptor-1 (SREC-I) expressed on the surface of endothelial cells. The interaction of PorBIA and SREC-I was analysed using different in vitro approaches, including surface plasmon resonance experiments that revealed a direct phosphate-independent high affinity interaction of SREC-I to PorBIA. However, the same binding affinity was also found for the other allele PorBIB, which indicates unspecific binding and suggests that the applied methods were unsuitable for this interaction analysis. Since N. gonorrhoeae was recently classified as a “super-bug” due to a rising number of antibiotic-resistant strains, this study aimed to discover inhibitors against the PorBIA-mediated invasion of N. gonorrhoeae. Additionally, inhibitors were searched against the human pathogen Chlamydia trachomatis, which causes sexually transmitted infections as well as infections of the upper inner eyelid. 68 compounds, including plant-derived small molecules, extracts or pure compounds of marine sponges or sponge-associated bacteria and pipecolic acid derivatives, were screened using an automated microscopy based approach. No active substances against N. gonorrhoeae could be identified, while seven highly antichlamydial compounds were detected. The pipecolic acid derivatives were synthesized as potential inhibitors of the virulence-associated “macrophage infectivity potentiator” (MIP), which exhibits a peptidyl prolyl cis-trans isomerase (PPIase) enzyme activity. This study investigated the role of C. trachomatis and N. gonorrhoeae MIP during infection. The two inhibitors PipN3 and PipN4 decreased the PPIase activity of recombinant chlamydial and neisserial MIP in a dose-dependent manner. Both compounds affected the chlamydial growth and development in epithelial cells. Furthermore, this work demonstrated the contribution of MIP to a prolonged survival of N. gonorrhoeae in the presence of neutrophils, which was significantly reduced in the presence of PipN3 and PipN4. SF2446A2 was one of the compounds that had a severe effect on the growth and development of C. trachomatis. The analysis of the mode of action of SF2446A2 revealed an inhibitory effect of the compound on the mitochondrial respiration and mitochondrial ATP production of the host cell. However, the chlamydial development was independent of proper functional mitochondria, which excluded the connection of the antichlamydial properties of SF2446A2 with its inhibition of the respiratory chain. Only the depletion of cellular ATP by blocking glycolysis and mitochondrial respiratory chain inhibited the chlamydial growth. A direct effect of SF2446A2 on C. trachomatis was assumed, since the growth of the bacteria N. gonorrhoeae and Staphylococcus aureus was also affected by the compound. In summary, this study identified the severe antichlamydial activity of plant-derived naphthoquinones and the compounds derived from marine sponges or sponge-associated bacteria SF2446A2, ageloline A and gelliusterol E. Furthermore, the work points out the importance of the MIP proteins during infection and presents pipecolic acid derivatives as novel antimicrobials against N. gonorrhoeae and C. trachomatis. / Neisseria gonorrhoeae ist ein obligat humanpathogenes Bakterium, das für die weltweit verbreitete sexuell übertragbare Krankheit Gonorrhoe verantwortlich ist. In seltenen Fällen kann es auch zur Ausbildung der Disseminierten Gonokokken-Infektion (DGI) kommen, die mit der Expression des Gonokokken Oberflächenproteins PorBIA assoziiert ist. PorBIA-exprimierende Bakterien invadieren in die Wirtszelle unter phosphatfreien Bedingungen, was durch eine Interaktion mit dem zellulären Oberflächenrezeptor scavenger receptor-1 (SREC-I) vermittelt wird. Die direkte Interaktion zwischen PorBIA und SREC-I wurde mittels verschiedenster Methoden analysiert, einschließlich einer Oberflächenplasmonresonanz-analyse, die eine direkte Bindung von PorBIA zu SREC-I in einem phosphatunabhängigen Schritt aufzeigte. Allerdings wurde dieselbe Affinität auch zu PorBIB gefunden, was auf eine unspezifische Bindung hindeutet und dafür spricht, dass die verwendeten Methoden für diese Interaktionsanalyse ungeeignet sind. N. gonorrheae wurde vor kurzem wegen der stetig steigenden Anzahl antibiotikaresistenter Stämme als „Superkeim“ bezeichnet. Aufgrund dessen wurden Inhibitoren gegen die PorBIA-vermittelte Invasion von N. gonorrhoeae, aber auch gegen Chlamydia trachomatis, den humanpathogenen Erreger von sexuell übertragbaren Infektionen und chronisch-follikulärer Bindehautentzündung, gesucht. 68 niedermolekulare Substanzen wurden mittels eines automatisierten Fluoreszenzmikroskopieverfahrens auf ihre inhibitorische Wirkung hin analysiert. Zu den getesteten Substanzen zählten pflanzenabstammende Stoffe, Isolate aus marinen Schwämmen oder Schwamm-assoziierten Bakterien, sowie Pipecolinsäure-Derivate. Gegen N. gonorrheae konnten keine Substanzen identifiziert werden, während sieben antichlamydiale Inhibitoren detektiert wurden. Pipecolinsäurederivate wurden synthetisiert als potentielle Inhibitoren des virulenz-assoziierten Proteins “macrophage infectivity potentiator” (MIP), das eine Peptidyl-Prolyl-cis-trans-Isomerase Aktivität besitzt. Diese Arbeit untersuchte die Rolle des MIP Proteins von N. gonorrhoeae und C. trachomatis während einer Infektion. Die zwei Inhibitoren PipN3 und PipN4 senkten die PPIase Aktivität des rekombinanten Chlamydien und Neisserien MIPs. Beide Substanzen beeinträchtigten das chlamydiale Wachstum und die Entwicklung in Epithelzellen. Ebenso konnte eine tragende Rolle des N. gonorrhoeae MIPs für das Überleben der Bakterien in Gegenwart von Neutrophilen aufgezeigt werden, das durch PipN3 und PipN4 inhibiert wurde. SF2446A2 war einer der Inhibitoren, der einen erheblichen Effekt auf das Wachstum und die Entwicklung von C. trachomatis aufgewiesen hat. Während der Analyse des Wirkmechanismus von SF2446A2 konnte eine Hemmung der mitochondrialen Atmungskette und eine Abnahme der mitochondrialen ATP Produktion in der Wirtszelle festgestellt werden. Allerdings war die Entwicklung von C. trachomatis unabhängig von der Funktionsfähigkeit der Mitochondrien. Eine Verbindung zwischen der antichlamydialen Wirkung von SF2446A2 und der Inhibierung der Mitochondrienatmungskette konnte damit ausgeschlossen werden. Nur das Reduzieren von zellulärem ATP durch Blockieren der Glykolyse und mitochondrialen Atmungskette verursachte eine Beeinträchtigung des Chlamydienwachstums. Eine direkte Auswirkung von SF2446A2 auf C. trachomatis wurde angenommen, da die Substanz auch das Wachstum von anderen Bakterien wie N. gonorrhoeae und Staphylococcus aureus inhibierte. Zusammengefasst identifizierte diese Studie die antichlamydiale Aktivität pflanzenabstammender Naphthochinone und der Isolate aus marinen Schwämmen oder Schwamm-assoziierten Bakterien SF2446A2, ageloline A und gelliusterol E. Ebenso verdeutlicht die Arbeit die Bedeutung der MIP Proteine während der Infektion und legt Pipecolinsäurederivate als mögliche neue Antibiotika gegen N. gonorrhoeae und C. trachomatis nahe.

Universiẗat, Diss.--Jena, 2005.

Universiẗat, Diss.--Heidelberg, 2004.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2009

Techn. University, Diss., 2005--München.