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Biotechnological processes are distinguished from classical chemistry by employing bio-molecules or whole cells as the catalytic element, providing unique reaction mechanisms with unsurpassed specificity. Whole cells are the most versatile \''factories\'' for natural or non-natural products, however, the conversion of e.g. hydrophobic substrates can quickly become cytotoxic. One host organism with the potential to handle such conditions is the gram-negative bacterium Pseudomonas putida, which distinguishes itself by solvent tolerance, metabolic flexibility, and genetic amenability. However, whole cell bioconversions are highly complex processes. A typical bottleneck compared to classical chemistry is lower yield and reproducibility owing to cell-to-cell variability. The intention of this work was therefore to characterize a model producer strain of P. putida KT2440 on the single cell level to identify non-productive or impaired subpopulations. Flow cytometry was used in this work to discriminate subpopulations regarding DNA content or productivity, and further mass spectrometry or digital PCR was employed to reveal differences in protein composition or plasmid copy number. Remarkably, productivity of the population was generally bimodally distributed comprising low and highly producing cells. When these two subpopulations were analyzed by mass spectrometry, only few metabolic changes but fundamental differences in stress related proteins were found. As the source for heterogeneity remained elusive, it was hypothesized that cell cycle state may be related to production capacity of the cells. However, subpopulations of one, two, or higher fold DNA content were virtually identical providing no clear hints for regulatory differences. On the quest for heterogeneity the loss of genetic information came into focus. A new work flow using digital PCR was created to determine the absolute number of DNA copies per cell and, finally, lack of expression could be attributed to loss of plasmid in non-producing cells. The average plasmid copy number was shown to be much lower than expected (1 instead of 10-20). In conclusion, this work established techniques for the quantification of proteins and DNA in sorted subpopulations, and by these means provided a highly detailed picture of heterogeneity in a microbial population.

Mycoplasma pneumoniae ist ein parasitär lebendes Bakterium, das eine atypische Pneumonie beim Menschen verursacht. Aufgrund seiner geringen Genomgröße besitzt dieser Organismus einen eingeschränkten Metabolismus sowie eine limitierte Zahl an Pathogenitätsfaktoren. Dennoch ist dieser Mikroorganismus perfekt an seinen Wirt angepasst und es war zu vermuten, dass neben dem komplexen Adhäsionsapparat von M. pneumoniae auch glykolytische Enzyme eine Rolle bei der Interaktion mit humanen Zellen spielen. Diese Enzyme sind maßgeblich bei intrazellulär ablaufenden Stoffwechselprozessen beteiligt. Es wurde jedoch bereits bei anderen Bakterien gezeigt, dass glykolytische Enzyme ebenfalls auf der Bakterienoberfläche zu finden sind und dort mit Komponenten der extrazellulären Matrix des Wirtes interagieren können. Dieser Vorgang trägt offensichtlich zur erfolgreichen Kolonisation des Wirtes bei. Ziel dieser Arbeit war es, alle glykolytischen Enzyme von M. pneumoniae hinsichtlich ihrer Lokalisierung zu beschreiben und Teilaspekte ihrer Funktion in der Interaktion mit Wirtskomponenten zu analysieren. Die glykolytischen Enzyme wurden rekombinant produziert und für die Herstellung von monospezifischen polyklonalen Antikörpern verwendet. Die Lokalisation der Enzyme wurde durch Nachweis in der Membran- und Zytosolfraktion des M. pneumoniae Gesamtantigens untersucht. Mittels Immunfluoreszenz, Colony Blot und Protease-Verdau intakter Bakterienzellen wurde bestätigt, dass acht (Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase, Lactatdehydrogenase, Transketolase, Pyruvatdehydrogenase, Phosphoglyceratmutase und Pyruvatdehydrogenase Untereinheiten A-C) der 19 glykolytischen Enzyme mit der Bakterienoberfläche assoziiert vorkommen. Die Untersuchung von Mutanten ergab, dass die Lokalisation der Enzyme nicht an das Vorkommen der für die Anheftung der Bakterien an Zielstrukturen wesentlichen Adhäsine wie die Proteine P1, P40 und P90 sowie das Oberflächenprotein P01, gekoppelt ist. Jedoch sind sowohl intakte Zellen von M. pneumoniae als auch die oberflächenlokalisierten glykolytischen Enzyme in der Lage, an verschiedene humane Zellen zu binden. Eine Analyse der nachweisbaren Proteine auf der Oberfläche der Zellen führte zur Auswahl von sechs humanen Proteinen für weiterführende Studien: Plasminogen, Vitronektin, Fibronektin, Fibrinogen, Laminin und Laktoferrin. Mittels ELISA wurde eine konzentrationsabhängige Bindung der oberflächenassoziierten Enzyme von M. pneumoniae mit Wirtsproteinen festgestellt, die hinsichtlich der Intensität jedoch Unterschiede aufwies. So konnten ausgeprägte Interaktionen aller Enzyme mit humanem Plasminogen und Vitronektin nachgewiesen werden. Die Bindung von Fibronektin und Laktoferrin ist dagegen nur für einen Teil der glykolytischen Enzyme zu bestätigen. Die Untersuchung verschiedener Einflussfaktoren ergab, dass alle Bindungen zwischen glykolytischen Enzymen und humanen Proteinen spezifisch durch die entsprechenden Antiseren gehemmt werden und dass der Großteil der Interaktionen ionischen Wechselwirkungen unterliegt. Die Bindung zu Plasminogen basiert überwiegend auf Lysin-Resten. Untersuchungen, ob sich die glykolytischen Enzyme gegenseitig in der Bindung zu Wirtsfaktoren beeinflussen, ergab ein komplexes Muster, das hinsichtlich Plasminogen, Fibronektin und Laminin für eine Überlagerung der für die Interaktion maßgeblichen Proteinbereiche spricht. Die Untersuchung einer möglichen Aktivierung von inaktivem Plasminogen zu proteolytisch aktivem Plasmin ergab, dass in Gegenwart aller oberflächenlokalisierten glykolytischen Enzyme von M. pneumoniae Plasmin gebildet wird. Es wurden jedoch Unterschiede im Aktivierungspotenzial nachgewiesen. Die Pyruvatdehydrogenase Untereinheit B zeigte die höchste, die Pyruvatdehydrogenase Untereinheit C die geringste Plasminproduktion. Die Verwendung des gewebespezifischen Plasminogenaktivators führte zu einer höheren Aktivierung als der Urokinase-Typ Plasminogenaktivator. Die Variabilität der Plasminproduktion kann mit der unterschiedlichen Bindungsaffinität der glykolytischen Enzyme zu Plasminogen begründet werden. So besitzt die Pyruvatdehydrogenase Untereinheit B im Vergleich mit der Pyruvatdehydrogenase Untereinheit C ein höheres Bindepotenzial, das sich in der gemessenen Aktivierung widerspiegelt. Die Bildung von Plasmin kann zum Abbau verschiedener extrazellulärer Matrix-Proteine führen. Diese Prozesse sind physiologisch, z. B. in der Fibrinolyse, von Bedeutung. Während in Gegenwart der glykolytischen Enzyme die humanen Proteine Laktoferrin, Laminin und Fibronektin nicht abgebaut wurde, konnte Fibrinogen in Gegenwart der Pyruvatdehydrogenase Untereinheit B bzw. der Phosphoglyceratmutase und Vitronektin durch alle glykolytischen Enzyme (bis auf die Pyruvatdehydrogenase Untereinheit C) degradiert werden. Mit der erstmals durchgeführten Analyse aller glykolytischen Enzyme eines Mikroorganismus hinsichtlich ihrer Lokalisation und der Bindung zu Komponenten der humanen extrazellulären Matrix wurde ein komplexes Netzwerk an Wirt-Erreger-Interaktionen nachgewiesen.

Les adénovirus (AdV) sont des virus à ADN se répliquant dans le noyau de la cellule hôte. Pour pouvoir se répliquer, ils détournent la machinerie cellulaire à leur profit. Au cours de l’entrée dans la cellule, les particules virales utilisent la machinerie de transport des microtubules pour rejoindre le noyau. Les AdV interagissent avec la dynéine, moteur moléculaire associé aux microtubules, pour être transportés vers le compartiment nucléaire. Ils se lient alors aux pores nucléaires, structures ancrées dans l’enveloppe nucléaire (EN). Une fois aux pores nucléaires, les capsides virales se désassemblent pour libérer et importer leur génome. Les mécanismes de détachement des microtubules, de translocation nucléaire et d’import du génome des AdV impliquent des facteurs de la machinerie de transport nucléocytoplasmique. Cependant, le mécanisme exact utilisé par les virus pour atteindre les pores nucléaires n’est pas clairement défini. Le transport nucléocytoplasmique est composé de différents facteurs et est hautement régulé dans les cellules. Le transport actif de cargos est dû à des facteurs d’import et d’export interagissant avec RanGTP. Le principal facteur d’export est CRM1 et il est connu pour être essentiel dans la translocation des AdV vers l’EN. L’inhibition de CRM1 par la Leptomycine B conduit à l’accumulation des AdV au centrosome, le principal Centre Organisateur des Microtubules (COMT) des cellules de mammifères. Nous avons donc étudié le rôle de CRM1 dans la libération du génome adénoviral. Nous avons analysé l’interaction des AdVs avec le COMT et nous avons observé que l’absence de facteurs cytoplasmiques ainsi que la perte d’intégrité des microtubules n’affectaient pas leur accumulation au COMT. En revanche, nous avons identifié et caractérisé un mutant de CRM1, qui reste fonctionnel pour l’export physiologique de cargo mais qui induit un retard important dans la translocation des AdV vers l’EN. Nous avons utilisé l’imagerie sur cellules vivantes pour analyser l’infection de l’AdV dans des cellules mitotiques et ceci a permis de révéler le rôle de CRM1 dans la libération du génome de ce virus. Nous avons également identifié un partenaire viral potentiel pour CRM1 parmi les protéines associées au génome viral, la Terminal Protein (TP). Cette protéine possède un signal d’export nucléaire et est un substrat de CRM1. Nos données soulignent le rôle de CRM1 comme un médiateur essentiel au désassemblage total de la capside adénovirale, qui favorise la libération du génome et son import.

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.

The KdpFABC complex from E. coli functions as a high affinity K uptake system and belongs to the superfamily of P-type ATPases. So far, no information is available about the orientation of the subunits within the complex as well as its oligomeric state. By chemical crosslinking, gel filtration, electron transmission microscopy and single particle FRET analysis this study shows that the KdpFABC complex occurs as a homodimer with a dissociation constant between 30 to 50 nM. Furthermore, by means of single particle analysis of transmission electron micrographs, the solution structure of the complex at 1.9 nm resolution could be solved, thus providing the first structural analysis resolving all subunits of the holoenzyme. Based on crystal structures, it is generally assumed that P-type ATPases undergo large domain movements during catalysis. However, these conformational changes have never been shown directly. By use of single molecule FRET with alternating laser excitation, distance changes could be measured directly within KdpB during ATP hydrolysis. With this technique, distances and dwell times were determined for three conformational states in the working enzyme as well as in the orthovanadate- and the OCS-inhibited state.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur der Untereinheit B des natriumabhängigen Kplus-Aufnahmesystems KtrAB aus Vibrio alginolyticus. Sie gehört zu einer Superfamilie von Kaliumtransportproteinen, die auf der im KcsA-Kanal gefundenen MPM-Topologie beruht. Eine MPM-Domäne besteht aus zwei Transmenbranhelices, die durch einen in die Membran zurückgefalteten P-Loop verbunden sind. Im KcsA-Kanal arrangieren sich vier dieser Untereinheiten um eine zentrale Pore. Im Unterschied zum KcsA-Kanal aus S. lividans sind in dieser Superfamilie die MPM-Domänen durch cytoplasmatische Loops miteinander verbunden. Die KtrB-Topologie beruht zur Zeit nur auf Modellen und wird in dieser Arbeit genauer untersucht. Dabei konnte die MPM-Faltung mittels PhoA-Fusionen für die Bereiche B-D von VaKtrB bestätigt, und die sogenannte Turret -Struktur, wie sie im KcsA-Kanal gefunden wurde, nachgewiesen werden. Bei Modellierungstudien der KtrB-Topologie fiel im Besonderen die M2C-Helix auf, woraufhin Durell und Guy drei Unterteilungen für diesen Bereich vorschlugen: M2C1: alpha-Helix; M2C2: flexibler Bereich; M2C3: teilweise amphiphile Helix. Es herrschen zwei Modelle dieser Helix vor, wobei sie sich vor allem in der Lokalisation von M2C2 und M2C3 unterscheiden. Im ersten bildet M2C2 einen gestreckten Übergang von M2C1 zu M2C3, die waagerecht in die Membranoberfläche eingelagert ist. Im 2. Modell liegt M2C2 innerhalb der Kavität als Schleife vor und M2C3 steckt senkrecht in der Membranoberfläche. Die in dieser Arbeit gewonnenen Daten (Cysteinzugänglichkeit für Maleimide, PhoA-Fusionen, ESR-Spektroskopie) erhärten das 1. Modell und unterstützen die These, dass M2C2 einen flexiblen Bereich innerhalb von M2C bildet, der wichtig für den Transport bzw. dessen Regulation ist. Die Faltung der M2C-Helix konnte allerdings nicht abschließend geklärt werden. Desweiteren deuten die Daten dieser Arbeit auf eine wässrige Verbindung bis tief in KtrB vom Periplasma her hin.

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