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1. Microbial ecology According to Caumette et al. (2015) the term ecology is derived from the Greek words “oikos” (the house and its operation) and “logos” (the word, knowledge or discourse) and can, therefore, be defined as the scientific field engaged in the “knowledge of the laws governing the house”. This, in extension, results in the simple conclusion that microbial ecology represents the study of the relationship between microorganisms, their co-occurring biota and the prevailing environmental conditions (Caumette et al. 2015). The term microbial ecology has been in use since the early 1960s (Caumette et al. 2015) and microbial ecologists have made astonishing discoveries since. Microbial life at extremes such as in the hydrothermal vents (see Dubilier et al. 2008 and references therein) or the abundance of picophytoplankton (Waterbury et al. 1979; Chisholm et al. 1988) in the deep and surface waters of the oceans, respectively, are only a few of many highlights. Nevertheless, a microbial ecologist who, after leaving the field early in their career, now intends to return would hardly recognise again their former scientific field. The main reason for this hypothesis is to be found in the advances made to the methodologies employed in the field. Most of these were developed for biomedical research and were subsequently hijacked, sometimes followed by minor modifications, by microbial ecologists. The Author presents in this thesis scientific findings which, although spanning only a fraction of the era of research into microbial ecology, have been obtained using various modern tools of the trade. These studies were undertaken by the Author during his employment as postdoctoral scientist at Warwick University (UK), as member of staff at Plymouth Marine Laboratory (UK) and as scientist at the TU Bergakademie Freiberg. Although the scientific issues and the environmental habitats investigated by the Author changed due to funding constraints or due to change of work place (i.e. from the marine to the mining environment) the research shared, by and large, a common aim: to further the existing understanding of microbial communities. The methodological approach chosen to achieve this aim employed both isolation followed by the characterisation of microorganisms and culture independent techniques. Both of these strategies utilised again a variety of methods, but techniques in molecular biology represent a common theme. In particular, the polymerase chain reaction (PCR) formed the work horse for much of the research since it has been routinely used for the amplification of a marker gene for strain identification or analysis of the microbial diversity. To achieve this, the amplicons were either directly sequenced by the Sanger approach or analysed via the application of genetic fingerprint techniques or through Sanger sequencing of individual amplicons cloned into a heterologous host. However, the Author did not remain at idle while with these ‘classical’ approaches for the analysis of microbial communities, but utilised the advances made in the development of nucleotide sequence analysis. In particular, the highly parallelised sequencing techniques (e.g. 454 pyrosequencing, Illumina sequencing) offered the chance to obtain both high genetic resolution of the microbial diversity present in a sample and identification of many individuals through sequence comparison with appropriate sequence repositories. Moreover, these next generation sequencing (NGS) techniques also provided a cost-effective opportunity to extent the characterisation of microbial strains to non-clonal cultures and to even complex microbial assemblages (metagenomics). The work involving the high throughput sequencing techniques has been undertaken in collaboration with Dr Jack Gilbert (PML, lateron at Argonne National Laboratory, USA) and, since at Freiberg, with Dr Anja Poehlein (Goettingen University). These colleagues are thanked for their support with sequence data handling and analyses.

Darmepithelzellen entwickeln eine spezielle apikale Oberfläche zur Aufnahme von Nährstoffen aus dem Darminhalt. Diese Oberfläche besteht aus F-Aktin Protrusionen und werden als Mikrovilli (MV) bezeichnet. MV regulieren die kommensalen Bakterien und schützen die inneren Gewebe gegen den Angriff pathogener Mikroorganismen. Dennoch kann das Enteropathogen Salmonella enterica (Salmonella) die MV auslöschen und zerstört durch sein Typ-3-Sekretionssystem und dessen sekretierte Virulenzsproteine die Epithelschicht. Diese Virulenzproteine werden in das Zytoplasma der Wirtzellen injiziert und führen während des Eindringens von Salmonella zur F-Aktin Umlagerung. Durch Untersuchungen des Einflusses einiger T3SS-1 Effektorproteine auf die Zerstörung der MV konnte nachgewiesen werden, dass allein die Translokation von SopE die MV-Auslöschung verursachte und ausreichend für die Wiederherstellung der Invasion war. Echtzeitlebend-zellmikroskopie zeigte, dass MV ausgelöscht werden während Membranausstülpungen (Ruffles) gebildet werden. Diese Ruffle-Bildung vereinfachte ein paralleles Eindringen nicht-invadierender Stämme von Salmonella. Es konnte beobachtet werden, dass die Ausschaltung von Villin und Myosin 1a durch shRNA in C2BBe1 Zellen die Invasionsrate von Salmonella ermäßigte. Darüber hinaus wurde Ezrin zu den intrazellulären Bakterien aber nicht zur apikalen Seite rekrutiert. Außerdem verhinderte die durch das SopE verursachte Umlagerung des F-Aktins, welche die MV-Auflösung zur Folge hatte, die Makropinozytose der infizierten Zellen. Es lässt sich daraus schließen, dass die Zerstörung der MV für eine effiziente Invasion von Salmonella nötig ist. Die F-Aktin Umlagerung begünstigt zudem das Eindringen von nicht-invadierenden Bakterien. Des Weiteren benötigt Salmonella MV-Proteine zur F-Aktin Polymerisierung und Invasion in polarisierten Epithelzellen, was die Makropinozytose der Zellen beeinträchtigt. Möglicherweise tragen diese Phänotypen zur Infektion in vivo bei und verursachen das klinische Bild des Durchfalls.

Es ist davon auszugehen, dass Fehlfunktionen im Immunsystem mit der Ausprä-gung des Krankheitsbildes der aggressiven Parodontitis im Zusammenhang ste-hen. In dieser Arbeit sollen anhand klinischer, immunologischer und mikrobiologischer Untersuchungen ein immunologisches Risikoprofil bei Patienten mit aggressiver Parodontitis erschlossen, gegebenenfalls Unterschiede zur moderaten chronischen Parodontitis beleuchtet und explorativ Zusammenhänge zwischen immunologischen und mikrobiologischen Befunden eruiert werden. Es wurden geeignete Patienten und gesunde Probanden laut Ethikvotum rekrutiert. Die immunologischen Untersuchungen erfolgten an PBMCs unter Verwendung durchflusszytometrischer Methoden und mittels ELISpot-Assay. Mikrobiologische Untersuchungen subgingivaler Plaque wurden als klassische Kultur und 16S rRNA-Sequenzierung durchgeführt. Immundefekterkrankungen konnten bei allen Individuen ausgeschlossen werden. Im Gruppenvergleich wurde eine erhöhte Stimulierbarkeit der PBMCs von Patienten mit moderater chronischer Parodontitis bezüglich ihrer IL-1β-Freisetzung bei Inkubation mit LPS festgestellt. Des Weiteren wies diese Patientengruppe einen vergleichsweise höheren Anteil an Gedächtnis-B-Zellen auf. In der mikrobiologischen Untersuchung konnten bekannte parodontopathogene Spezies nachgewiesen und Prevotella denticola als bislang nicht explizit erwähntes Pathogen mit aggressiver Parodontitis assoziiert werden. Unsere Untersuchung weisen auf Zusammenhänge zwischen immunologischen und mikrobiologischen Befunde bezüglich einiger parodontopathogener Bakterien, wie Prevotella oralis, und Stimulierbarkeit der IL-1β-Freisetzung, B-Zelldifferenzierung und T-Zellverhältnis hin.

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Das thermophile Bakterium Campylobacter jejuni gehört weltweit zu den häufigsten Erregern bakterieller Gastroenteritiden beim Menschen. Der Erreger wird hauptsächlich durch kreuzkontaminierte Lebensmittel, zumeist ausgehend von Geflügelprodukten, übertragen. Aufgrund seines weiten Wirtsspektrums weist C. jejuni eine hohe genetische Vielfalt unter seinen Isolaten auf. Mit dem Ziel herauszufinden, ob das Auftreten spezifischer Markergene mit bestimmten klonalen Komplexen korreliert, wurden im Rahmen dieser Arbeit 266 C. jejuni-Isolate unterschiedlicher Herkunft (Mensch, Rind, Huhn, Pute) molekularbiologisch auf das Vorhandensein von zehn Virulenz-assoziierten Faktoren: cj1321-1326 (ein sechs Gen umfassender Komplex zur Flagellin-O-Glykolisierung), ciaB (Campylobacter-Invasions-Antigen B), cdtB (cytolethales distendierendes Toxin, CDT) Untereinheit B, fucP (L-Fucose-Permease), cj0178/cj0755 (Eisentransportprotein), ceuE (Enterochelin bindendes Protein), pldA (Phospholipase A der äußeren Membran) und cstII/cstIII (Lipooligosaccharid-Sialyltransferase) untersucht. In einer vorrangegangen Studie von ZAUTNER et al. 2011 wurden bereits 266 C. jejuni-Isolate durch Kombination von MLST und den sechs genetischen Metabolismus-assoziierten Markern: ansB (periplasmatische Asparaginase), dmsA (Untereinheit A der Dimethyl-sulfoxid-Oxidoreduktase), ggt (γ-Glutamyl-Transpeptidase), cj1585c (Oxidoreduktase), cjj811-76-1367/71 (Serin-Protease) und tlp7m+c (transducer-like Protein 7 (Ameiseisäure-spezifische Chemotaxisrezeptor), Heterodimer aus Cj0951c und Cj0952c) in sechs Gruppen unterteilt. Zur Konkretisierung dieser bestehenden Gruppendefinitionen und zur Identifikation der Gruppen mit dem höchsten gesundheitsgefährdenden Potential wurden dieselben 266 Isolate nun weiter charakterisiert. Vor allem die genetischen Marker cj1321-1326; fucP; cj0178 und cj0755 sind weitestgehend miteinander assoziiert und splitten die Testpopulation in 2 Haupt- und 7 Untergruppen und bestätigen damit die alte Gruppendefinition. Abgesehen vom Virulenz-assoziierten Marker pldA zeigen alle ermittelten genetischen Marker signifikante Unterschiede unter den verschiedenen MLST-Sequenztypen. Basierend auf den Daten der Arbeit konnte ein Biotyp von C. jejuni-Isolaten, der durch die Präsenz von ansB, dmsA, ggt und die Absenz von cj1321-1326; fucP; cj0178, cj0755, cj1365c, cj1585c sowie cstII/cstIII charakterisiert ist, bestimmt werden. Isolate dieser Gruppe gehören hauptsächlich den MLST-CC 22, 42, 45, 283 an und sind eher an eine Persistenz in der Umwelt-adaptiert. Zum Wachstum nutzen die Stämme dieser Gruppe einen erweiterten Aminosäurestoffwechsel sowie einen alternativen anaeroben Stoffwechselweg (dmsA- positiv). Hingegen kann aufgrund des fehlenden fucP keine L-Fucose verstoffwechselt werden. Außerdem sind die Stämme dieser Gruppe toleranter gegen oxidativen Stress und besser frostbeständig. Die jahreszeitliche Prävalenz ist am stärksten im Frühsommer. Dieser Umwelt- aber schlechter Wirts-adaptierte Biotyp wird mit mehr Campylobacteriosen beim Menschen in Verbindung gebracht, ist häufiger mit blutigen Stühlen und Hospitalisierungen assoziiert und ist somit hochgradiger virulent für den Menschen. Im Gegensatz dazu ist die zweite Hauptgruppe stärker an tierische Wirte, insbesondere Säuger, adaptiert und in der Lage, L-Fucose aus Mucosa oder Milch zu metabolisieren. Isolate dieses Biotyps tolerieren für C. jejuni extreme Temperaturen besser und zeigen eine relativ gleichmäßige Prävalenz im Jahresverlauf. Alle fünf bekannten C. jejuni-Eisentransportsysteme sind detektierbar, ebenso die Marker cj1321-1326, cj1365c, cj1585c und cstII und/oder cstIII. Die vorherrschenden MLST-CC sind CC 21, 48, 61 und 20. Dieser besser Wirts-adaptierte Biotyp wird mit weniger schweren Campylobacteriosen in Zusammenhang gebracht. Alle anderen Gruppen stellen einen sukzessiven evolutionären Übergang an Markergen-Kombinationen zwischen diesen beiden Hauptgruppen dar.