Der alternative Sigmafaktor RpoS ist der Masterregulator der generellen Stressantwort in Escherichia coli. Er kontrolliert ein Regulon von mehr als 500 Genen. In ungestressten Zellen ist die RpoS-Synthese gering, da RpoS nach Bindung an den spezifischen Erkennungsfaktor RssB von der ClpXP-Protease unter ATP-Verbrauch degradiert wird. RssB wird dabei nicht codegradiert und wirkt daher katalytisch. In gestressten Zellen wird RpoS stabilisiert. Die zentrale Fragestellung dieser Arbeit war, wann und wodurch RpoS in den beiden E. coli K12-Laborstämmen W3110 und MC4110 stabilisiert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verfügbarkeit von RssB und das Verhältnis von RpoS zu RssB die zentralen Schlüssel sind. In ungestressten Zellen sind die geringen Konzentrationen von RpoS und RssB durch homöostatisches Feedback aufeinander abgestimmt (RssB benötigt RpoS zu seiner Expression). In der postexponentiellen Wachstumsphase steigt der RpoS-Gehalt so stark an, dass die Zellen mit RpoS “überschwemmt“ werden und RssB austitriert wird. In der Stationärphase liegt RssB meist inaktiv vor. Zusammen mit dem Absinken des ATP-Gehalts führt das zur Stabilisierung von RpoS. Da parallel die Bindung von RpoD an die RNA-Polymerase (RNAP) durch Rsd inhibiert wird, (p)ppGpp die Bindung alternativer Sigmafaktoren an die RNAP fördert und Crl gezielt RpoS bei der Bindung an die RNAP unterstützt, kann RpoS nun erfolgreich mit den anderen Sigmafaktoren um die RNAP konkurrieren und die generelle Stressantwort initiieren. Im Stamm W3110 wird RpoS bereits in der späten postexponentiellen Phase stabilisiert und der hohe RpoS-Gehalt schafft in diesem Stamm die Basis für eine starke generelle Stressantwort. In MC4100 hingegen wird RpoS zweiphasig stabilisiert und wird am Ende der postexponentiellen Phase zunächst wieder destabilisiert. Das resultiert in einer geringeren Stressresistenz und Überlebensfähigkeit des MC4100 und belegt die stärkere Degenerierung des MC4100 im Vergleich zum W3110. / The alternative sigma factor RpoS is the master regulator of the general stress response in Escherichia coli, which controls a regulon of >500 genes. In unstressed cells RpoS levels are low, because upon binding to the specific RpoS recognition factor RssB, RpoS becomes degraded by the ATP-dependent ClpXP protease. RssB is not co-degraded and acts catalytically. In stressed cells RpoS becomes stabilized. The central question of this study was when and how RpoS is stabilized in the two E. coli K-12 laboratory strains W3110 and MC4110. The results show that the availability of RssB and the ratio of RpoS to RssB are the central key. In unstressed cells low levels of RpoS and RssB level are finely balanced due homeostatic feedback (the expression of RssB itself requires RpoS). During the post-exponential growth phase the RpoS level strongly increases, so that cells are ‘flooded‘ with RpoS which titrates RssB. During stationary phase RssB exists mainly in its inactive form. Along with a lower ATP level, this results in a stabilization of RpoS. Since in parallel binding of RpoD to RNA polymerase (RNAP) is inhibited by Rsd, (p)ppGpp promotes the binding of alternative sigma factors to the RNAP and Crl supports RpoS binding to RNAP, RpoS can successfully compete with other sigma factors for RNAP and initiate the general stress response. In strain W3110 RpoS is stabilized already during the late post-exponential phase and the high RpoS content in this strain creates the basis for a strong general stress response. In MC4100, however, RpoS is stabilized in two phases, and during the end of the post-exponential phase RpoS is even transiently destabilized again. This is reflected in reduced stress resistance and longterm survival of MC4100 and shows the stronger degeneration of strain MC4100 compared to W3110.

Der sekundäre Botenstoff c-di-GMP kommt in vielen Bakterienspezies vor und fördert dort die Bildung von Biofilmen. Für Abbau und Synthese von c-di-GMP in der Zelle sorgen Diguanylatzyklasen (DGCs) und Phosphodiesterasen (PDEs), an deren N-Terminus häufig Sensordomänen die enzymatische Aktivität steuern. In dieser Arbeit wurde die Regulation und Wirkungsweise einer Gruppe von PDEs mit einer neuartigen Sensordomäne, der CSS-Domäne, genauer charakterisiert. Die CSS-Domäne ist im Periplasma lokalisiert und besitzt zwei hochkonservierte Cysteine, von denen eines in dem namensgebenden CSS-Motiv arrangiert ist. Die Integration in die innere Membran erfolgt durch zwei Transmembrandomänen (TM1 und TM2), wobei TM2 die Verbindung zu der C-terminal gelagerten EAL-Domäne mit PDE-Aktivität herstellt. Die Analyse von PdeC als eine von fünf CSS-PDE in Escherichia coli K-12 zeigte, dass die Bildung einer Disulfidbrücke zwischen den konservierten Cysteinen vom oxidierende DsbA/DsbB-System katalysiert wird und zu einer Verminderung der enzymatischen Aktivität der EAL-Domäne führt. Im Gegensatz dazu führt die reduzierte freie Thiol-Form der CSS-Domäne zu einer stark erhöhten PDE-Aktivität verbunden mit der Dimerisierung über die TM2. Die Reduktion der CSS-Domäne führt außerdem zur Prozessierung durch die HtrA-Proteasen DegP und DegQ in ein membranständiges Fragment aus TM2+EAL-Domäne mit hoher enzymatischer Aktivität. Der Abbau durch DegP und DegQ im Periplasma ist sehr effizient. Auf der cytoplasmatischen Seite hingegen erfolgt die weitere Degradierung durch noch unbekannte Proteasen eher langsam, wodurch es unter bestimmten Bedingungen zur Akkumulierung der hochaktiven TM2+EAL-Form kommt. Durch das Zusammenspiel von redox-abhängiger Aktivitätskontrolle und Proteolyse der c-di-GMP-spezifischen PDE PdeC wird die Produktion der amyloiden Curli-Fasern und Cellulose reguliert, welche Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix von Biofilmen sind. / The second messenger c-di-GMP promotes biofilm formation in many bacterial species. Phosphodiesterases (PDEs) and diguanylatcyclases (DGCs) - often controlled by various N-terminal sensor domains - degrade and synthesize c-di-GMP. The aim of this study was to characterize the mode of activation and physiological function of a new class of sensor domains, the CSS domain, which is coupled to an EAL domain with PDE activity and therefore potentially controlling c-di-GMP degradation. The CSS sensor domain contains two highly conserved cysteins in the periplasmic loop, of which one is arranged in the characteristic CSS motif. Integration into the inner membrane is ensured by two flanking transmembrane domains (TM1 and TM2), with TM2 providing a connection to the C-terminal EAL domain. Analysis of PdeC as one of 5 CSS-PDEs in Escherichia coli K-12 revealed a close linkage to the disulfide bond (DSB) system as well as important periplasmic proteases. Thus, formation of a DSB between the two conserved cysteins is promoted by the oxidizing DsbA/DsbB-system and reduces enzymatic activitiy of the EAL domain. In contrast, the free thiol form increases PDE activity and dimerizes via the TM2 domain. Moreover, reduction of the CSS domain results in degradation by the periplasmic HtrA proteases DegP and DegQ. These redundantly process PdeC to a shorter fragment containing the TM2 and EAL domain only, which shows dimerization as well and has high PDE activity. Degradation in the periplasm mediated by DegP and DegQ is very efficient. In contrast, further proteolysis in the cytoplasm by yet unidentified proteases is rather slow, allowing the accumulation of the highly active TM2+EAL form. Finally, the interplay of redox dependent activity control and proteolysis of the c-di-GMP specific PDE PdeC regulates production of curli and cellulose as major matrix components of the bacterial biofilm.

Bei den meisten Bakterien wird die Biofilmbildung durch das Botenmolekül c-di-GMP stimuliert. Durch die enzymatische Aktivität von c-di-GMP-synthetisierenden Diguanylatzyklasen/DGC und c-di-GMP-abbauenden Phosphodiesterasen/PDE wird der c-di-GMP-Gehalt als eine Antwort auf diverse Stress- und suboptimale Umweltbedingungen reguliert. Vor allem Gram-negative Bakterien haben multiple DGC/PDE. So besitzt Escherichia coli K-12 29 solche Proteine, darunter 12 DGC, 13 PDE sowie 4 degenerierte Proteine ohne enzymatische Funktion. Dieses komplexe c-di-GMP-Kontrollsystem reguliert die Produktion der extrazellulären Biofilmmatrix, die in E. coli während des Übergangs in die stationäre Wachstumsphase stattfindet. Das Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob die 29 DGC/PDE von E. coli ein spezifisches Interaktom bilden, das DGC/PDE-Pärchen enthält. Durch umfangreiche Two-Hybrid-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass es ein solches Interaktom in der Biofilmregulationskaskade tatsächlich gibt, das allerdings nicht in Pärchen organisiert ist. Vielmehr wird die Biofilmbildung von einer Kerngruppe von Enzymen, welche multiple Interaktionen untereinander und mit anderen DGC/PDE aufweisen, kontrolliert. Die Funktionsweise der Kerngruppe von Enzymen könnte jedoch möglicherweise unter bestimmten Wachstumsbedingungen durch Interaktionen mit weiteren Proteinen moduliert werden. Die Dynamik des Interaktionsnetzwerks ermöglicht vermutlich eine rationelle Ressourcenverwaltung in den verschiedenen Zonen des Biofilms, was zum Aufbau der komplexen Matrixarchitektur beitragen könnte, und eine hohe Anpassungsfähigkeit der Bakterien und der von ihnen aufgebauten Biofilmstrukturen gewährleisten könnte. Insgesamt führt diese Arbeit aus einer systemischen Perspektive zu einem neuen Modell der lokalen Biofilmbildungsregulation durch den Botenstoff c-di-GMP und legt die Basis für weitere Untersuchungen der daran beteiligten Mechanismen einzelner GGDEF/EAL-Domäne-haltiger Proteine in E. coli. / The messenger molecule c-di-GMP stimulates the formation biofilms in most bacteria species. The enzymatic activities of the diguanylate cyclases/DGC and the phosphodiesterases/PDE adjust the c-di-GMP content in response to diverse stress and suboptimal environmental conditions. Above all, Gram-negative bacteria have multiple GGDEF/EAL domain proteins. Escherichia coli K-12 possesses 29 of such proteins: 12 DGCs, 13 PDEs and 4 so called degenerate proteins without any enzymatical function. Mainly, this complex c-di-GMP control system regulates the production of the extracellular biofilm matrix, which in E. coli takes place during the switch into the stationary growth phase. The main compounds of the matrix are amyloid curli-fibers and exoplysaccaride cellulose. The goal of this work was to investigate, whether the 29 DGC/PDE from E. coli develop a specific interactome containing additional DGC/PDE pairs. In a comprehensive two-hybrid study, it could be demonstrated that there is indeed a specific interactome in the biofilm formation cascade. However, this interactome does not contain additional DGC/PDE pairs. Mainly, the core group of enzymes, which have multiple interactions among each other and with other DGC/PDE, controls biofilm formation. Under certain growth conditions the mode of action of the core enzymes might be adjusted through the interaction with other proteins. Presumably, the dynamics of the interaction network allows managing the resources in the different biofilm zones efficiently, which could conribute to the complex organisation of the matrix architecture. Therefore, the rapid adaptation of bacteria and the formed biofilm structures could be better organized. Altogether, this work provides a new model for the local regulation of the biofilm formation by the secondary messenger c-di-GMP guided from a systemical perspective. Hereby, the basis for further investigations on regulation mechanisms of individual DGC/PDE was set. / Переход от подвижного и планктонообразного образа жизни к формированию биоплёнок является важной и интересной особенностью различных микроорганизмов. Кишечная палочка (Escherichia coli) представляет собой удобный модельный организм для изучения подобных трансформаций. У этой грамотрицательной бактерии образование биоплёнки обусловлено внутриклеточной аккумуляцией циклического дигуанилата (цикло-диГМФ). Известно, что активность ферментов, синтезирующих (дигуанилатциклазы/ДГЦ) и разлагающих (диэстеразы/ДЭ) эти сигнальные молекулы, меняется в ответ на стрессовые и субоптимальные раздражители. Кишечная палочка имеет 12 ДГЦ, 13 ДЭ и четыре дегенерированных протеина. Цель данной работы – изучить специфический, важный при формировании биоплёнки интерактом и выяснить, способны ли другие ДГЦ/ДЭ образовывать дополнительные ДГЦ/ДЕ модули и вносить свой вклад в формирование биоплёнки. В работе были изучены молекулярные взаимодействия, ответственные за формирование биоплёнок у кишечной палочки. Так, было доказано отсутствие в интерактоме дополнительных локальных ДГЦ/ДЕ модулей, участвующих при каскадных процессах регуляции роста биоплёнки. Установлено, что процесс формирования биоплёнки в большей степени контролируется основной группой ферментов, которые имеют множественные взаимодействия между собой и с другими ДГЦ/ДЭ. Вероятнее всего, такие взаимодействия способны модулировать работу основных ферментов при определенных условиях культивирования. Динамика подобной сети взаимодействий позволяет микроорганизмам целесообразно использовать свои клеточные ресурсы при образовании биоплёнок и вносит свой вклад в её сложную архитектуру, повышая тем самым приспособляемость бактерий и созданных ими сложных биоплёночных структур к внешним условиям. В целом, в данной работе предложена новая модель локальной регуляции образования биоплёнки с помощью сигнальной молекулы цикло-диГМФ и заложен фундамент для дальнейших исследований механизмов действия отдельных ДГЦ/ДЭ.

Für die E. coli K12 Biofilmbildung ist die Expression des Masterregulators CsgD essentiell. Dies erfordert das Signalmolekül c-di-GMP, dessen Auf- und Abbau durch 12 Diguanylatzyklasen (DGCs mit GGDEF-Domänen) und 13 Phosphodiesterasen (PDEs mit EAL-Domänen) erfolgt. DgcE ist mit einer MASE1-umfassenden Transmembranregion (TM), drei PAS-, einer GGDEF- und einer degenerierten EAL-Domäne die strukturell komplexeste DGC und notwendig für die Biofilmbildung. Diese Arbeit zeigt, dass die Aktivität von DgcE einer hoch komplexen Regulation unterliegt. Einzelnen DgcE-Domänen konnten aktivierende bzw. inhibierende Rollen hinsichtlich der Biofilmmatrixsynthese zugeordnet werden. Die Biofilmbildung hängt von DgcE-produziertem c-di-GMP ab, wobei die DgcE-Dimerisierung v.a. durch die PAS-Region vermittelt wird. Die EAL-Domäne wirkt einer aktiven DgcE-Form entgegen. Für die DgcE-vermittelte Matrixproduktion sind die GTPase YjdA und sein Partnerprotein YjcZ nötig. Über Interaktionen mit YjcZ und der TM von DgcE vermittelt YjdA eine Komplexbildung. Die Interaktion von YjdA und DgcE sowie die Matrixproduktion hängen von der GTPase-Aktivität von YjdA ab. GTP wird daher als intrazelluläres Signal vorgeschlagen, das die Aktivierung von DgcE durch YjdA/YjcZ reguliert. Die MASE1-umfassende TM agiert als Zentrale der Signalintegration. Einerseits ist sie nötig für die DgcE-Aktivität und andererseits ist sie an einem massiven Abbau von DgcE beteiligt. Zudem wurden neu identifizierte Curli-regulierende Gene (rbsK, rbsR, ydcI, yieP, puuR) untersucht, wobei keines über das PdeR/DgcM/MlrA-Modul in die c-di-GMP-vermittelte CsgD-Expression eingreift. Flagellare Verknotungen in der unteren Schicht von E. coli Makrokolonien tragen zur Morphogenese dieser Makrokolonien bei. Diese Arbeit zeigt, dass Flagellenverknotungen zu einer verminderten Expression der Master-PDE PdeH beitragen, wodurch vermutlich die zelluläre c-di-GMP-Konzentration steigt und somit die Biofilmbildung begünstigt wird. / Biofilm formation of E. coli K12 requires the expression of the biofilm master regulator CsgD. This process depends on the signaling molecule c-di-GMP, which is synthesized by 12 diguanylate cyclases (DGCs with GGDEF domains) and degraded by 13 phosphodiesterases (PDEs with EAL domains). DgcE is the most complex DGC with a MASE1-containing transmembrane region (TM), three PAS, a GGDEF and a degenerate EAL domain, and it is essential for biofilm formation. This work shows that the regulation of the DgcE activity is highly complex. It was possible to assign activating and inhibitory roles to single domains of DgcE with regard to the expression of biofilm matrix components. C-di-GMP produced by DgcE is necessary for biofilm matrix production. The dimerization of DgcE is mainly mediated by the PAS region, whereas the EAL domain counteracts an active form of DgcE. DgcE-mediated matrix synthesis requires the activating signal input of the GTPase YjdA and its partner protein YjcZ. DgcE, YjdA and YjcZ form a protein complex in which YjdA directly interacts with YjcZ and the TM of DgcE. The interaction between DgcE and YjdA as well as the matrix expression depend on the GTPase activity of YjdA. Thus, it is proposed that GTP serves as an intracellular signal regulating the activation of DgcE by YjdA/YjcZ. The MASE1-containing TM proved to be a central hub for signal integration. It is both required for DgcE activity and for a massive degradation of DgcE. Furthermore, newly discovered curli-regulating genes (rbsK, rbsR, ydcI, yieP, puuR) have been analyzed. None of those gene products act on CsgD expression via the PdeR/DgcM/MlrA module. Flagellar entangling within the bottom layer of E. coli macrocolonies determines morphogenesis of macrocolonies. The data presented here suggest that the master PDE PdeH is somehow down-regulated by flagellar entangling, which probably results in a higher cellular c-di-GMP concentration, thereby promoting biofilm formation.

Die fünf CSS-Domänen Phosphodiesterasen aus Escherichia coli K12 (E. coli) gehören zu den weit verbreiteten c-di-GMP-PDEs. Ein Vertreter, PdeC, wurde bereits von Herbst et al. (2018) charakterisiert. Durch DsbA/DsbB geförderte Disulfidbrückenbindung (DSB) in der CSS-Domäne von PdeC wird die PDE-Aktivität des Proteins gehemmt. Gegenteilig ist die freie Thiolform, in Abhängigkeit von der TM2 als Dimerisierungs-Domäne, enzymatisch aktiver. Diese Form wird von den periplasmatischen Proteasen DegP und DegQ prozessiert. Ein irreversibel aktiviertes TM2+EAL-Fragment wird generiert, dass durch weitere Proteolyse langsam entfernt wird. Die Reduktion der CSS-Domäne von PdeC zur der freien Thiolform stimuliert die PDE-Aktivität der EAL-Domäne in vitro. Zusammen mit den Daten von Herbst et al. (2018) wird die CSS-Domäne in dieser Arbeit als eine neue sensorische Domäne charakterisiert, dessen Aktivität durch einen DSB/Thiol-Schaltmechanismus reguliert wird. Alle fünf CSS-Domänen-PDEs von E. coli K12 weisen eine ähnliche Domänenarchitektur auf, jedoch unterscheiden sich Redox-Biochemie, Proteolyse und PDE-Aktivität innerhalb dieser Proteinfamilie. Auf Basis der PDE-Aktivität von Nicht-DSB-Varianten wurden PdeB, PdeC und PdeG als aktivierbare (Reduktion steigert die PDE-Aktivität) und PdeD und PdeN als nicht aktivierbare (Reduktion inaktiviert PDEs) charakterisiert. Ein weiterer Vertreter de CSS-Domänen PDEs, PdeN, scheint nicht über die Ausbildung einer DSB in der CSS-Domäne reguliert und aktiviert zu werden. Nach erfolgter Proteinbiosynthese wird die Proteinkonzentration vielmehr über den N-Terminus reguliert, wobei saure Wachstumsbedingungen das Protein maßgeblich induzieren und die Aktivität erhöhen. Wird das Protein erfolgreich in die Membran eingelagert, kann es bedingt durch die strukturelle DSB seine PDE-Aktivität entfalten und die Biofilmmatrixproduktion maßgeblich beeinflussen. / The five CSS domain phosphodiesterases from Escherichia coli K12 (E. coli) belong to the widespread group of c-di-GMP PDEs. One representative, PdeC, has already been characterized by Herbst et al. (2018). DsbA/DsbB promoted disulfide bond (DSB) formation in the CSS domain of PdeC inhibits the PDE activity of the protein. On the contrary, the free thiol form is more enzymatically active, depending on the TM2 as the dimerization domain. This form is processed by the periplasmic proteases DegP and DegQ. An irreversibly activated TM2 + EAL fragment is generated that is slowly removed by further proteolysis. The reduction of the CSS domain of PdeC to the free thiol form stimulates the PDE activity of the EAL domain in vitro. Together with the data from Herbst et al. (2018) the CSS domain is characterized as a new sensory domain whose activity is regulated by a DSB / thiol switch mechanism. All five E. coli K12 CSS domain PDEs share a similar domain architecture, but redox biochemistry, proteolysis, and PDE activity differ within the protein family. On the basis of the PDE activity of non-DSB variants, PdeB, PdeC and PdeG were characterized as activatable (reduction increases PDE activity) and PdeD and PdeN as non-activatable (reduction inactivated PDE activity). Another representative of the CSS domain PDEs, PdeN, does not seem to be regulated and activated by forming a DSB in the CSS domain. After protein biosynthesis the protein concentration is rather regulated via the N-terminus, with acidic growth conditions significantly inducing the protein and increasing its activity. If the protein is successfully inserted in the membrane, it can develop its PDE activity due to the structural DSB and influence the biofilm matrix production significantly.

Antibiotikaresistenz/-toleranz und Evasion des menschlichen Immunsystem sind wesentliche Probleme persistierender chronischer Infektionen, die im Zusammenhang mit Biofilmen stehen. Eine Notwendigkeit alternativer Behandlungen liegt daher nahe. Für diese Studie wurden zehn ayurvedische Pflanzen ausgewählt, die die Produktion von Curli-Fasern und/oder pEtN-Cellulose in E. coli K-12 Makrokolonie-Biofilmen eindeutig hemmten. Eine Reihe molekularer Reporter wurde verwendet, um die molekularen Ziele im Modellorganismus E. coli zu identifizieren. Eine Kombination von mikrobiologischen, molekularbiologischen und enzymatischen Methoden und Experimenten wurde dann verwendet, um die Aktivitäten der Pflanzenextrakte weiter zu charakterisieren. Um ihre Wirkung auf Biofilme eines breiteren Spektrums von Bakterien zu testen, wurden einige relevante gramnegative Pathogene (EAEC, UPEC, P. aeruginosa) und grampositive Bakterien (B. subtilis, S. aureus) als Makrokolonie-Biofilme sowie als submerse Biofilme in Gegenwart der Pflanzenextrakte inkubiert. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie sind, dass es kein „Allheilmittel“ gibt, das effektiv gegen verschiedene Biofilmstrukturen wirken kann. Es konnte gezeigt werden, dass fast alle Pflanzenextrakte die CsgA Amyloidogenese hemmen. Drei der zehn Pflanzenextrakte beeinflussten die Curli- und pEtN-Cellulose-Gene signifikant, indem sie csgB und dgcC über den Regulator CsgD herunterregulierten. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass ein Extrakt die Expression flagellarer Gene in E. coli hochreguliert - eine neue Anti-Biofilm Strategie. Überraschenderweise wurde auch festgestellt, dass ein Pflanzenextrakt, das die Biofilmbildung des Kommensalen E. coli K-12 hemmt, während es die Biofilmbildung von UPEC fördert. Daher können Anti-Biofilm-Effekte stammspezifisch sein. Eine Strategie, bei der verschiedene Pflanzenextrakte kombiniert werden, könnte gegen Biofilme wirken, die aus mehreren Arten bestehen, erfordert jedoch weitere Forschung. / Antibiotic resistance/tolerance and evasion from the human immune system are major causes of concern associated with biofilm-related persistent chronic infections. So, the need for an alternative source of treatment is obvious. In this study, 10 Ayurvedic plants were selected as they clearly inhibited the production of curli fiber and pEtN-cellulose or of curli fibers only in E. coli K-12 macrocolony biofilms. A series of molecular reporters were used to determine the molecular targets using E. coli as model bacteria. A combination of microbiological, molecular biological, and enzymatic assays and experiments were then used to further characterize the activities of the plant extracts. To test anti-biofilm effects on a wider range of bacteria, some relevant Gram-negative pathogens (EAEC, UPEC, P. aeruginosa) and Gram-positive bacteria (B. subtilis, S. aureus) were grown in macrocolony biofilms and submerged biofilms in the presence of active plant extracts. The major findings of this study are that there is not one single “magic bullet” that can effectively work against the diverse biofilm compositions and structures. Nearly all plant extracts were found to inhibit CsgA amyloidogenesis. Three of the ten plant extracts affected the curli and pEtN-cellulose genes significantly by downregulating csgB and dgcC via the CsgD regulator. In addition, one extract was found to upregulate flagellar gene expression in E. coli - this is a new anti-biofilm strategy that had not considered before. Surprising, it was also noticed that one plant extract, which inhibits biofilm formation by commensal E. coli K-12, promotes biofilm formation by UPEC. Thus, anti-biofilm effects can be strain-specific because of the diversity of composition of the matrix within the same bacterial species. A strategy of combining different plant extracts may work to deal with biofilms involving multiple species, but requires more research and understanding.

Aviäre pathogene E. coli (APEC) sind extraintestinale Pathogene, die beim Huhn systemische Infektionskrankheiten hervorrufen. Zur Identifizierung Gene, die an der Kolonisierung des Wirtes beteiligt sind, wurde ein Lungen-Infektionsmodell in 5 Wochen alten SPF Hühnern etabliert. In dem Modell wurden 1.800 mittels Signature-tagged-Mutagenese (STM) hergestellten Mutanten des APEC Stamms IMT5155 (O2:K1:H5; ST-Komplex 95) auf ihre Fähigkeit zur Kolonisierung getestet. Die Untersuchung führte zur Identifizierung Gene, einschließlich Adhäsin-, LPS- und Kapsel-bildenden Genen, sowie Genen mit putativer Funktion. Die STM-Analyse erlaubte zudem die Identifizierung eines zuvor nicht charakterisierten putativen Fimbrien-bildenden Adhäsins (Yqi). Das Genprodukt wurde vorläufig als ExPEC Adhäsin I (EA/I) bezeichnet. Eine Deletion des EA/I-Gens führte zu einer Reduzierung der Adhäsionsfähigkeit des Stammes IMT5155 in vitro und in vivo. Eine Komplementierung des EA/I-Gens in trans resultierte in einer Wiederherstellung des Adhäsions¬vermögens in vitro. Das EA/I-Protein (~39 kDa) wurde als Fusionsprotein in vitro exprimiert, und mittels SDS-PAGE und Western Blot nachgewiesen. Durch Überexpression des EA/I-Operons in dem Fimbrien-negativen E. coli-Stamm AAEC189 konnten mittels elektronenmikroskopischer Aufnahmen Fimbrien-bildende Strukturen auf der äußeren Membran dargestellt werden. Das Vorkommen des yqi in den untersuchten extraintestinal pathogenen E. coli (ExPEC), bei gleichzeitigem Fehlen in allen untersuchten intestinal pathogenen E. coli bestätigt die Bezeichnung ExPEC Adhäsin I. Die Prävalenz des EA/I-Gens war am stärksten assoziiert mit Stämmen der B2-Phylogenetische-Gruppe und des ST95-Komplexes des Multi-Lokus-Sequenz-Typisierungs (MLST)-Schemas. Sequenzanalysen ergaben zudem erste Hinweise auf eine positive Selektion des EA/I-Gens innerhalb dieses Komplexes. In der vorliegenden Arbeit gelang somit die Identifizierung und Charakterisierung des neuen ExPEC Adhäsin I. / The extraintestinal pathogen, avian pathogenic E. coli (APEC), known to cause systemic infections in chickens, is responsible for large economic losses in the poultry industry. To identify genes, involved adhesion and colonization, a lung colonization model of infection was established in 5-week old specific-pathogen free (SPF) chickens, and Signature-tagged mutagenesis (STM) was applied to this model by generating and screening a total of 1,800 mutants of an APEC strain IMT5155 (O2:K1:H5; ST complex 95). This led to the identification of new genes of interest, including adhesins, genes involved in capsule and LPS formation, and genes of putative function. Among the many genes identified was one coding for a novel APEC fimbrial adhesin (Yqi) not described for its role in APEC pathogenesis. Its gene product was temporarily designated ExPEC Adhesin I (EA/I). Deletion of the ExPEC adhesin I gene resulted in reduced colonization ability by APEC strain IMT5155 both in vitro and in vivo. Complementation of the adhesin gene restored its ability to colonize epithelial cells in vitro. The ExPEC adhesin I protein (~ 39 kDa) was expressed as a fusion protein in vitro as shown by SDS-PAGE and western blotting. Electron microscopy of an afimbriate strain E. coli AAEC189 over-expressed with the putative EA/I gene cluster revealed short fimbrial like appendages protruding out of the bacterial outer membrane. We observed that the adhesin coding gene yqi is prevalent among extraintestinal pathogenic E. coli (ExPEC) isolates and absent in all of the intestinal pathogenic E. coli strains tested, thereby validating the designation of the adhesin as ExPEC Adhesin I. In addition, prevalence of EA/I was most frequently associated with the E. coli phylogenetic group B2 and ST95 complex of the multi locus sequence typing (MLST) scheme, with evidence of a positive selection within this complex. This is the first report of the newly identified and functionally characterized ExPEC adhesin I.