The predominant tool for adaptation in Gram-negative bacteria is a genetic system called integron. It rearranges gene cassettes, promoting multiple antibiotic resistances, a recognized major global health threat. It is based on a unique recombination process involving a Tyrosine recombinase – called integrase IntI – and folded single-stranded DNA hairpins – called attC sites. Four recombinases and two attC sites form a macromolecular synaptic complex, which is key to the entire recombination process and the focus of our study. The bottom strand of all attC sites shows highest recombination in vivo, however, it still varies greatly and the underlying reason is unknown. We hypothesize that the difference in recombination efficiency arises from the variable mechanical stability of the synaptic complex, which in turn is affected by the attC site. Here, we established an optical tweezers force-spectroscopy assay that allows us to probe the synaptic complex stability for different DNA substrates and protein variants. We discovered a strong correlation between recombination efficiency and the mechanical stability of the synapse, indicating a regulatory mechanism from the DNA sequence to the quaternary complex structure stability. We have discovered protein residues interacting with the DNA in trans, within the synaptic complex, which reduces its stability. Furthermore, we discovered that the C-terminal helix, a conserved structural feature of tyrosine recombinases plays a key role in the stabilization of the tetramer assembly on the DNA, which upon mutation significantly destabilized the synaptic complex. Expanding upon this new understanding of synapse stability regulation we developed a novel approach for destabilizing the synaptic complex, potentially reducing the recombination efficiency. We designed α-helix mimicking peptides that would compete with the C-terminal tail of the integrase, block the interlocking interaction, and lead to synaptic complex destabilization. We have observed a prominent destabilizing effect on the synaptic complex already at 10 µM peptide concentration. Overall, our findings reveal new regulatory mechanisms in the recombination efficiency of the bacterial integron and provide first data for the active synapse destabilization mechanism. This novel understanding of the regulatory role the synaptic complex plays in the recombination efficiency of the integron system introduces a new approach to reduce the spread of antibiotic resistance among bacteria. / Das vorherrschende Anpassungsmittel bei gramnegativen Bakterien ist ein genetisches System, das Integron genannt wird. Es ordnet Genkassetten neu an und fördert so multiple Antibiotikaresistenzen, die eine globale Gesundheitsbedrohung darstellen. Es basiert auf einem einzigartigen Rekombinationsprozess, an dem eine Tyrosin-Rekombinase - Integrase IntI genannt - und gefaltete einzelsträngige DNA-Hairpins - attC-Stellen genannt - beteiligt sind. Vier Rekombinasen und zwei attC-Stellen bilden einen makromolekularen synaptischen Komplex, der für den gesamten Rekombinationsprozess entscheidend ist und im Mittelpunkt unserer Forschung steht. Der untere Strang aller attC-Stellen weist in vivo die höchste Rekombinationsrate auf, die jedoch aus unbekannten Grund stark variier. Wir vermuten, dass der Unterschied in der Rekombinationsrate auf die unterschiedliche mechanische Stabilität des synaptischen Komplexes zurückzuführen ist, die wiederum von der attC-Stelle beeinflusst wird. Hier haben wir einen Test mittels Kraft-spektroskopie mit einer optischen Pinzette entwickelt, mit dem wir die Stabilität des synaptischen Komplexes für verschiedene DNA-Substrate und Proteinvarianten untersuchen können. Wir stellten eine starke Korrelation zwischen der Rekombinationsrate und der mechanischen Stabilität der Synapse fest, was auf einen Regulationsmechanismus zwischen der DNA-Sequenz und der Stabilität der quaternären Komplexstruktur hinweist. Wir haben Proteinreste entdeckt, die innerhalb des synaptischen Komplexes mit der DNA in trans interagieren, was zu einer Verringerung dessen Stabilität führt. Darüber hinaus stellten wir fest, dass die C-terminale Helix, ein konserviertes Strukturmerkmal von Tyrosin-Rekombinasen, eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung des Tetramer-Aufbaus an der DNA spielt, die bei Mutation den synaptischen Komplex erheblich destabilisiert. Auf der Grundlage dieses neuen Verständnisses der Regulierung der Synapsenstabilität haben wir einen neuen Ansatz zur Destabilisierung des synaptischen Komplexes entwickelt, der die Effizienz der Rekombination verringern könnte. Wir entwarfen α-Helix-nachahmende Peptide, die mit dem C-terminalen Ende der Integrase konkurrieren, die Interlocking-Interaktion blockieren und zur Destabilisierung des synaptischen Komplexes führen. Wir haben eine deutliche destabilisierende Wirkung auf den synaptischen Komplex bereits bei einer Peptidkonzentration von 10 µM beobachtet. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse neue Regulationsmechanismen für die Rekombinationsleistung des bakteriellen Integrons auf und liefern erste Daten für den Mechanismus der aktiven Destabilisierung der Synapse. Dieses neue Verständnis der regulatorischen Rolle, die der synaptische Komplex bei der Rekombinationseffizienz des Integronsystems spielt, eröffnet einen neuen Ansatz zur Verringerung der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen unter Bakterien.

Die bakterielle Meningitis (BM) ist trotz antibiotischer Therapie eine Erkrankung mit einer hohen Mortalität und Morbidität. Kopfschmerzen und Meningismus sind Hauptsymtome und ein klinischer Hinweis für die Aktivierung trigeminaler Fasern. Ziel dieser Arbeit war es zu prüfen ob die freigesetzten Neuropeptide einen proinflammatorischen Effekt auf zerebrale Endothelzellen, einen wesentlichem Bestandteil der Blut-Hirn-Schranke haben. Wir verwendeten primär kultivierte zerebrale Kapillarendothelzellen (BMEC) der Ratte und als Stimulus Neuropeptide und/oder Pneumokokkenzellwände (PCW). Beide Neuropeptide, CGRP mehr als SP, verstärken den Effekt von PCW auf die mRNA Expression und Freisetzung von TNF-alpha, IL-1beta, IL-6, IL-10 und MIP-2 aus den BMEC. CGRP und SP haben nur eine geringe Wirkung. PCW regulieren die Dichte der CRLR (CGRP1-R) bzw. NK-1 Rezeptoren und erklären damit die kostimulatorische Wirkung. Zudem untersuchten wir den Effekt von PCW und/oder CGRP auf die Adrenomedullin (AM)- Synthese. AM ist ein vasodilatorisch wirkendes Peptid, dass vorwiegend in Endothelzellen konstitutiv gebildet wird und am CRLR Rezeptor wirkt. PCW und CGRP verstärken die Synthese von AM. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass PCW zur Hochregulation von Neuropeptidrezeptoren führt und CGRP und SP über diese Rezeptoren einen modulatorischen Effekt auf die Zytokinproduktion in BMEC haben. Ein genaues Verständnis dieser Interaktionen könnte die Entwicklung immunmodulatorischer Interventionen und damit eine Verbesserung der Prognose der bakteriellen Meningitis bewirken. / Despite antibiotic treatment bacterial meningitis is still associated with a high mortality and morbidity. Headache and meningismus as key symptoms, provide clear evidence for the activation of trigeminal nerve fibers. Aim of the study was to test whether the released neuropeptides have a proinflammatory effect in cerebral endothelial cells the major compartment of the blood brain barrier. We used primary brain microvascular endothelial cells of the rat (BMEC) which were stimulated with CGRP, SP and/or pneumococcal cell walls (PCW). Both neuropeptides CGRP more than SP enhanced PCW-induced mRNA expression and the release of TNF-alpha, IL-1-beta, IL-6, IL-10 and MIP-2. Neuropeptides alone were not able to induce these cytokines. PCW upregulate the density of CRLR receptor and regulate the NK-1 receptor and therefore may explain the costimulatory effect. Furthermore the effect of PCW and/or CGRP on adrenomedullin synthesis in BMEC was investigated. Adrenomedullin is a vasodilatatory peptide, which is constitutivly produced by endothelial cells and act on the CRLR receptor. PCW as well as CGRP enhance the synthesis of AM. Our data suggest that PCW upregulate neuropeptide receptors and modulate via these specific receptors the cytokine production. A detailed understanding of these interactions may open new immunmodulatory interventions and therefore may contribute to a better prognosis of bacterial meningitis.

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This study investigated the impact of customary fluoride based mouthrinses on the ultrastructure and the functional properties of the in situ pellicle, considering the prevention of erosion (8 volunteers) and initial biofilm formation (12 volunteers). Bovine enamel slabs were carried intraorally. After 1 min of pellicle formation, the subjects rinsed with elmex Kariesschutz (A), Dontodent Med Care (B), meridol (C) or elmex Zahnschmelzschutz Professional (D) for 1 min. In situ pellicle formation was continued up to 30 min/8 h before processing the slabs in vitro. Erosion was simulated by incubating the specimens in HCl (pH 3.0, 2.3, 2.0) for 120 s, measuring the kinetics of calcium/phosphate release photometrically; representative samples were evaluated by TEM and EDX. Bacterial adhesion was visualized fluorescence microscopically (DAPI/BacLight). Native enamel slabs or physiological pellicle samples served as controls. All investigated mouthrinses enhanced the erosion preventive pellicle effect in dependence of the pH-value. A significant decrease of Ca/P release at all pH values was achieved after rinsing with D; TEM/EDX confirmed ultrastructural pellicle modifications. All mouthrinses tendentially reduced bacterial adherence, however not significantly. The mouthrinse containing NaF/AmF/SnCl2 (D) offers an effective oral hygiene supplement to prevent caries and erosion.

This study investigated the impact of customary fluoride based mouthrinses on the ultrastructure and the functional properties of the in situ pellicle, considering the prevention of erosion (8 volunteers) and initial biofilm formation (12 volunteers). Bovine enamel slabs were carried intraorally. After 1 min of pellicle formation, the subjects rinsed with elmex Kariesschutz (A), Dontodent Med Care (B), meridol (C) or elmex Zahnschmelzschutz Professional (D) for 1 min. In situ pellicle formation was continued up to 30 min/8 h before processing the slabs in vitro. Erosion was simulated by incubating the specimens in HCl (pH 3.0, 2.3, 2.0) for 120 s, measuring the kinetics of calcium/phosphate release photometrically; representative samples were evaluated by TEM and EDX. Bacterial adhesion was visualized fluorescence microscopically (DAPI/BacLight). Native enamel slabs or physiological pellicle samples served as controls. All investigated mouthrinses enhanced the erosion preventive pellicle effect in dependence of the pH-value. A significant decrease of Ca/P release at all pH values was achieved after rinsing with D; TEM/EDX confirmed ultrastructural pellicle modifications. All mouthrinses tendentially reduced bacterial adherence, however not significantly. The mouthrinse containing NaF/AmF/SnCl2 (D) offers an effective oral hygiene supplement to prevent caries and erosion.

In der vorliegenden Arbeit wurde anhand der im Rahmen des Vermont-Oxford-Neonatal-Networks erhobenen Daten an der Berliner Klinik für Neonatologie der Charité Campus Mitte und der Abteilung für neonatologische Intensivmedizin der Universitätskinderklinik in Innsbruck ein Benchmarking-Projekt für die Jahre 1997 bis 2001 durchgeführt. Nach der Analyse des Outcomes wurde eine Analyse der externen Evidenz anhand von Literatursuche in PubMed und der Cochrane Datenbank für systematische Reviews durchgeführt. Danach wurde ein Fragebogen entworfen, der gezielt Handlungsstrategien und -richtlinien bezüglich der relevanten Outcome-Parameter erfragt. Für das Benchmarking-Projekt wurden das Atemnotsyndrom, die nekrotisierende Enterokolitis und die bakteriellen Infektionen ausgewählt. Die Analyse der Handlungsstrategien durch den Fragebogen zeigte, dass in den drei Bereichen respiratorische Interventionen, Nahrung und Ernährung sowie im Infektionsmanagement Unterschiede vorlagen. In der Diskussion zeigte sich, dass in vielen Bereichen noch Bedarf nach guter externer Evidenz und weiterer Forschung besteht. / This dissertation presents the results of a 1997 - 2001 benchmark project in co-operation with the "Berliner Klinik für Neonatologie der Charité Campus Mitte" and the "Abteilung für neonatologische Intensivmedizin der Universitätskinderklinik" in Innsbruck. The study is based on the Vermont-Oxford-Neonatal-Network''s data. After analysing the results, further evidence was analysed by way of literary research in PubMed and the Cochrane Database of Systematic Reviews. Afterwards, a questionnaire was created, lining out the clinical guidelines of the relevant outcome parameters. The respiratory distress syndrom, the necrotising enterocolitis and the bacterial infections were selected for the benchmark. The internal guidelines'' analysis showed that there were differences between the two clinics'' results in respiratory interventions, feeding and the management of infections. The discussion made clear that research based on further evidence is necessary in many fields.