Thesis (doctoral)--Universität, Bonn, 2001. / Includes bibliographical references (p. 75-83).

Schwämme (Phylum Porifera) sind der älteste rezente Tierstamm der Erde. Insbesondere marine Vertreter dieser sessilen Invertebraten sind oftmals mit einem mikrobiellen Konsortium assoziiert, welches hochgradig wirtsspezifisch und phylogenetisch divers ist. Die Biomasse dieser Mikroflora kann dabei rund die Hälfte der Masse eines Schwamms ausmachen. Die Komplexität des Konsortiums sowie der Mangel an kultivierbaren Vertretern der Schwamm-spezifischen Kladen erschwert dabei eine gezielte funktionelle Charakterisierung. Von besonderem Interesse hierbei ist das exklusiv in marinen Schwämmen vorzufindende Candidatus Phylum Poribacteria, für das bislang kein kultivierter Vertreter vorliegt. Die metabolisch aktiven und hochabundanten Poribakterien liegen in der extrazellulären Matrix des Schwammes vor und zeichnen sich durch das Vorhandensein einer Nukleoid-ähnlichen intrazellulären Struktur aus. Ziel dieser Promotionsarbeit war es, neue Einzelzell-basierte Methoden auf das Gebiet der funktionellen Charakterisierung von Bakterien anzuwenden, welche spezifisch mit dem mediterranen Schwamm Aplysina aerophoba assoziiert sind. Dabei wurden sowohl kultivierungs-abhängige, als auch kultivierungs-unabhängige Versuchsansätze verfolgt. Das Hauptaugenmerk dieser Studien lag dabei auf dem Candidatus Phylum Poribacteria. Während auf dem ‚dilution-to-extinction‘-Prinzip beruhende Hochdurchsatz-Kultivierungen nicht zum Erhalt einer Schwammsymbionten-Reinkultur führten, konnten durch eine Kombination aus FACS-Vereinzelung von Schwamm-assoziierten Bakterien und anschließenden Einzel-Genom-Amplifizierungen (‚whole genome amplifications‘) umfassende Einblicke in die metabolischen Kapazitäten von Schwammsymbionten gewonnen werden. Ferner gelang durch die Anwendung dieser neuen kultivierungs-unabhängigen Methode eine spezifische Verknüpfung von Phylogenie und Funktion Schwamm-assoziierter, nicht-kultivierbarer Bakterien. So konnte im Rahmen dieser Dissertation eine neue nicht-ribosomale Peptidsynthetase (NRPS) einem Vertreter einer Schwamm-spezifischen Chloroflexi-Klade zugewiesen werden. Ferner gelang die Zuordnung einer exklusiv in marinen Schwämmen vorgefundenen Polyketidsynthase (Sup-PKS) zu den Poribacteria. Die Klonierung von hochmolekularer, Einzel-Genom-amplifizierter DNA in Cosmide gewährte zudem Einblicke in den genomischen Kontext dieser, mit dem bakteriellen Sekundärmetabolismus assoziierten Gene. Die Pyrosequenzierung eines amplifizierten, von einem einzelnen Poribakterium abstammenden Genoms führte zudem zum Erhalt von rund zwei Megabasen an genetischer Information über diese Schwammsymbionten. Dadurch wurden detaillierte Informationen über den poribakteriellen Primär- und Sekundärstoffwechsel gewonnen. Die Auswertung der automatisch annotierten 454-Daten erlaubte die Rekonstruktion von Stoffwechselwegen, so z.B. der Glykolyse oder des Citratzyklus und bestätigte das Vorhandensein eines Sup-PKS-Gens im poribakteriellen Genom. Ferner konnten Gemeinsamkeiten mit den Schwesterphyla Planctomycetes, Chlamydiae und Verrucomicrobia gefunden werden. Zudem zeigte die vergleichende Analyse mit einem poribakteriellen Referenzklon aus einer bestehenden Metagenombank die genomische Mikroheterogenität innerhalb dieses Phylums. Nicht zuletzt konnte die Auswertung der poribakteriellen 454-Sequenzierung eine Reihe von möglichen Symbiose-Determinanten aufdecken, die beispielsweise am Austausch von Metaboliten zwischen den Interaktionspartnern beteiligt sind. Die Ergebnisse dieser Dissertationsarbeit stellen die Basis für eine gezielte und detaillierte funktionelle Beschreibung einzelner Bakterien innerhalb komplexer mikrobieller Konsortien dar, wie sie in marinen Schwämmen vorzufinden sind. Dieser Studie gewährte erstmalig umfassende Einblicke in das genomische Potential der nicht-kultivierten, Schwamm-assoziierten Poribacteria. Weiterführende Einzelzell-basierte Experimente werden in Zukunft dazu beitragen, das Bild von der Interaktion zwischen Bakterien und eukaryontischen Wirten zu komplettieren. / Sponges (phylum Porifera) represent the evolutionarily oldest of all extant animal phyla. Especially marine members of these sessile invertebrates are well known to be permanently associated with microbial consortia, which are highly host-specific and phylogenetically diverse. About half of the sponge’s biomass can be made up of this microflora. However, the complexity of the consortia as well as the lack of cultured representatives impedes a directed functional characterization of sponge-specific bacterial phylotypes. Of special interest in this context is the candidate phylum Poribacteria, whose members have so far been exclusively detected in marine sponges. As indicated by the annex ‘candidate’, no cultured representative exists for the Poribacteria. The metabolically active and abundant Poribacteria are located in the sponge extracellular matrix and are characterized by the presence of a nucleoid-like organelle. The aim of this dissertation was the application of novel single cell based methods to the field of sponge microbiology for functional characterization of bacteria specifically associated with the Mediterranean sponge Aplysina aerophoba. For that purpose, cultivation-dependent as well as cultivation-independent approaches were pursued. Particular attention was paid to the candidate phylum Poribacteria. While high-throughput cultivation experiments based on the ‘dilution-to-extinction’ principle did not yield a sponge symbiont in pure culture, extensive insights into the metabolic properties of sponge-associated bacteria were gained by dissecting the microbial consortia using FACS-sorting with subsequent ‘whole genome amplifications’. In addition, this approach enabled a specific linkage between phylogeny and function of sponge-specific, non-culturable bacteria. Within the scope of this PhD thesis a novel non ribosomal peptide synthetase (NRPS) could be assigned to a member of a sponge-specific clade within the phylum Chloroflexi. Moreover, an exclusively in marine sponges existing class of polyketide synthases (Sup-PKS) was shown to be encoded by the Poribacteria. Cosmide-cloning of amplified genomic DNA derived from FACS-sorted sponge microbes provided insights into genes associated with secondary metabolism and adjacent genomic context. Pyrosequencing of a single amplified genome derived from a member of the Poribacteria resulted in almost two megabases of genetic information about this sponge symbiont. Data analysis provided detailed insights into the poribacterial primary and secondary metabolism. Analysis of the automatically annotated 454-data enabled the reconstruction of metabolic pathways like glycolysis and citric acid cycle. Furthermore, the presence of the Sup-PKS gene in the poribacterial genome was confirmed. Moreover, common features with the sister phyla Planctomycetes, Chlamydiae and Verrucomicrobia were traced within the poribacterial data set. Additionally, the comparative study with a poribacterial reference clone from an existing metagenomic library revealed genomic microheterogeneity within the phylum Poribacteria. Last but not least the interpretation of the 454-sequencing approach did expose a set of putative determinants such as metabolite exchange factors required for establishment and maintenance of the symbiosis with the sponge host. The results of this dissertation provide a basis for a directed and detailed functional characterization of single bacteria within complex microbial consortia like they exist in marine sponges. This study provided a comprehensive picture of the genomic potential of the uncultured sponge-associated Poribacteria. Continued single cell based experiments will lead to a better knowledge of the mechanisms of interaction between bacteria and eukaryotic hosts.

Zugl.: Kassel, University, Diss., 2005. / Download lizenzpflichtig.

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008 / Hergestellt on demand

Zugl.: Kassel, Univ., Diss., 2005. / Auch im Internet unter der Adresse www.upress.uni-kassel.de verfügbar

Thesis (Ph. D.)--Swedish University of Agricultural Sciences, 2001. / Includes bibliographical references.

Antarctic glacier forfields are extreme environments and pioneer sites for ecological succession. The Antarctic continent shows microbial community development as a natural laboratory because of its special environment, geographic isolation and little anthropogenic influence. Increasing temperatures due to global warming lead to enhanced deglaciation processes in cold-affected habitats and new terrain is becoming exposed to soil formation and accessible for microbial colonisation. This study aims to understand the structure and development of glacier forefield bacterial communities, especially how soil parameters impact the microorganisms and how those are adapted to the extreme conditions of the habitat. To this effect, a combination of cultivation experiments, molecular, geophysical and geochemical analysis was applied to examine two glacier forfields of the Larsemann Hills, East Antarctica. Culture-independent molecular tools such as terminal restriction length polymorphism (T-RFLP), clone libraries and quantitative real-time PCR (qPCR) were used to determine bacterial diversity and distribution. Cultivation of yet unknown species was carried out to get insights in the physiology and adaptation of the microorganisms. Adaptation strategies of the microorganisms were studied by determining changes of the cell membrane phospholipid fatty acid (PLFA) inventory of an isolated bacterium in response to temperature and pH fluctuations and by measuring enzyme activity at low temperature in environmental soil samples. The two studied glacier forefields are extreme habitats characterised by low temperatures, low water availability and small oligotrophic nutrient pools and represent sites of different bacterial succession in relation to soil parameters. The investigated sites showed microbial succession at an early step of soil formation near the ice tongue in comparison to closely located but rather older and more developed soil from the forefield. At the early step the succession is influenced by a deglaciation-dependent areal shift of soil parameters followed by a variable and prevalently depth-related distribution of the soil parameters that is driven by the extreme Antarctic conditions. The dominant taxa in the glacier forefields are Actinobacteria, Acidobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria and Chloroflexi. The connection of soil characteristics with bacterial community structure showed that soil parameter and soil formation along the glacier forefield influence the distribution of certain phyla. In the early step of succession the relative undifferentiated bacterial diversity reflects the undifferentiated soil development and has a high potential to shift according to past and present environmental conditions. With progressing development environmental constraints such as water or carbon limitation have a greater influence. Adapting the culturing conditions to the cold and oligotrophic environment, the number of culturable heterotrophic bacteria reached up to 108 colony forming units per gram soil and 148 isolates were obtained. Two new psychrotolerant bacteria, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T and Chryseobacterium frigidisoli PB4T, were characterised in detail and described as novel species in the family of Oxalobacteraceae and Flavobacteriaceae, respectively. The isolates are able to grow at low temperatures tolerating temperature fluctuations and they are not specialised to a certain substrate, therefore they are well-adapted to the cold and oligotrophic environment. The adaptation strategies of the microorganisms were analysed in environmental samples and cultures focussing on extracellular enzyme activity at low temperature and PLFA analyses. Extracellular phosphatases (pH 11 and pH 6.5), β-glucosidase, invertase and urease activity were detected in the glacier forefield soils at low temperature (14°C) catalysing the conversion of various compounds providing necessary substrates and may further play a role in the soil formation and total carbon turnover of the habitat. The PLFA analysis of the newly isolated species C. frigidisoli showed that the cold-adapted strain develops different strategies to maintain the cell membrane function under changing environmental conditions by altering the PLFA inventory at different temperatures and pH values. A newly discovered fatty acid, which was not found in any other microorganism so far, significantly increased at decreasing temperature and low pH and thus plays an important role in the adaption of C. frigidisoli. This work gives insights into the diversity, distribution and adaptation mechanisms of microbial communities in oligotrophic cold-affected soils and shows that Antarctic glacier forefields are suitable model systems to study bacterial colonisation in connection to soil formation. / Gletschervorfelder der Antarktis stellen extreme Habitate dar und sind Pionierstandorte biologischer Sukzession. Insbesondere unter Berücksichtigung zuletzt beobachteter und vorausgesagter Erwärmungstrends in der Antarktis und der Relevanz der Mikroorganismen für das Antarktische Ökosystem, ist es essentiell mehr Informationen über die Entwicklung frisch exponierter Gletschervorfelder zu erlangen. Ziel dieser Studie ist es, die Struktur und Entwicklung bakterieller Gletschervorfeldgemeinschaften zu verstehen, insbesondere wie die Mikroorganismen von den Bodenparametern beeinflusst werden und wie diese sich an die extremen Bedingungen des Habitats anpassen. Für die Untersuchung der Proben von zwei Gletschervorfeldern aus den Larsemann Bergen der Ostantarktis diente eine Kombination aus Kultivierungsexperimenten und molekularen, geophysikalischen und geochemischen Analysen. Die untersuchten Gletschervorfelder sind durch extrem niedrige Temperaturen, einer geringen biologischen Wasserverfügbarkeit und oligotrophe Nährstoffgehalte charakterisiert und zeigen unterschiedliche Entwicklungsstufen in Verbindung zu den Bodenparametern. In einem frühen Schritt der Bodenbildung in der Nähe der Gletscherzunge sind die Gemeinschaften undifferenziert, doch mit fortschreitender Entwicklung nimmt de Einfluss von Wasser- und Nährstofflimitationen zu. Nachdem die Kultivierungsbedingungen den kalten und nährstoffarmen Bedingungen des Habitats angepasst wurden, konnten 108 koloniebildende Einheiten heterotropher Bakterien pro Gramm Boden angereichert und daraus 148 Isolate gewonnen werden. Zwei neue psychrotolerante Bakterien, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T und Chryseobacterium frigidisoli PB4T, wurden detailiert charakterisiert und als jeweils neue Spezies beschrieben. Die Anpassungsstrategien der Mikroorganismen an die extremen antarktischen Bedingungen zeigten sich in der Aktivität extrazellulärer Enzyme bei niedriger Temperatur, die mit derer temperierter Habitate vergleichbar ist, und in der Fähigkeit der Mikroorganismen, die Fettsäurezusammensetzung der Zellmembran zu ändern. Eine neue Fettsäure, die bisher in keinen anderen Mikroorganismus gefunden wurde, spielt eine entscheidende Rolle in der Anpassung des neu-beschriebenen Bakteriums C. frigidisoli an niedrige Temperaturen und saure pH-Werte. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Vielfalt, Verteilung und Anpassung mikrobieller Gemeinschaften in nährstoffarmen und Kälte-beeinflussten Habitaten und zeigt, dass Antarktische Gletschervorfelder geeignete Modellsysteme, um bakterielle Besiedelung in Verbindung zu Bodenbildung zu untersuchen.

Das Ziel der Arbeit war, ein In-vitro-Infektionsmodell für den protozoären Parasiten C. parvum zu etablieren, um eine Aussage über die Infektiosität der Oozysten treffen zu können. Es wurde ein robustes Zellkultursystem zur In-vitro-Kultivierung dieses Einzellers erarbeitet. Die Oozysten von C. parvum wurden im neonatalen Kälbern passagiert und aus dem Kot isoliert und aufgereinigt, so dass ein direkt in die Zellkultur einsetzbares Inokulum gewonnen werden konnte. Als Zelllinie wurden adhärent wachsende HCT-8-Zellen verwendet. Die konfluenten Zellmonolayer wurden in Mikrotiterplatten direkt mit der Oozystensuspension inokuliert. Dabei wurde dem Medium zur Erleichterung der Exzystierung der Sporozoiten 0,4 % Natriumtaurocholat beigemischt, ohne dass dabei ein zytotoxischer Effekt festzustellen war. Die erfolgreiche Exzystierung und Invasion der Zellen durch die Parasiten mit anschließender Vermehrung konnte bei hohen Anzahlen inokulierter Oozysten mit einer geeigneten Kontrasttechnik mikroskopisch beobachtet werden. Zum sicheren semiquantitativen Nachweis der Infektion wurde ein PCR-basierter Assay verwendet. Die Robustheit und Sensitivität des Zellkultur-PCR-Systems wurde mit vitalen Oozysten getestet und anschließend auf die Testung des Einflusses einer physikalischen (hohe Temperatur) und chemischen (Neopredisan®) Inaktivierungsmethode auf die Vitalität der Oozysten angewandt. Es wurden insgesamt 271 Zellkulturen mit unterschiedlichen Mengen vitaler Oozysten inokuliert. Mindestens 1000 Oozysten waren notwendig, um eine sicher nachweisbare Infektion zu erzeugen. Bei Einsatz von 100 Oozysten konnten etwa drei von vier Kulturen als infiziert diagnostiziert werden, bei Verwendung von 10 Oozysten betrug dieser Anteil etwas unter einem Drittel. Bei der thermischen Inaktivierung wurden zwei Temperaturen benutzt: 38 °C und 55 °C, die für unterschiedlich lange Zeitspannen (zwischen 1 und 24 h) auf die Oozysten eingewirkt hatten. In den 68 so untersuchten Kulturen zeigte sich, dass 55 °C unabhängig von der Einwirkdauer ausreichend waren, um die Oozysten soweit zu inaktivieren, dass kein PCR-Nachweis in der Kultur mehr möglich war. Eine Erwärmung auf lediglich 38 °C hatte dagegen keinen nennenswerten Einfluss auf die Infektiosität der Oozysten in der Zellkultur. Diese Oozysten verhielten sich ähnlich wie die unbehandelten Chargen. Es wurde ferner der Einfluss einer einstündigen Exposition mit Neopredisan® in den Konzentrationen von 0,25, 1 und 4 % auf die Infektiosität getestet (80 untersuchte Kulturen), sowie einer zweistündigen Inkubation mit 4 % (60 PCR-Ansätze). Die beiden niedrigen Konzentrationen übten keinen hemmenden Effekt auf die Vermehrungspotenz der so behandelten Oozysten aus, teilweise wurde hier sogar eine erhöhte Nachweisbarkeit vor allem in den niedrigen Inokula festgestellt. Dagegen konnte die höchste Konzentration die Oozysten in ihrer Vermehrung signifikant hemmen. Die längere Desinfektion erwies sich hierbei als wirksamer. Dieser Effekt war jedoch deutlich geringer als der einer Erwärmung auf 55 °C, und es konnten nicht alle Oozysten inaktiviert werden. Die Genotypisierung (Sequenzierung von zwei Genloci) der verwendeten Isolate ergab, dass es sich bei den verwendeten Parasiten um den bovinen Genotyp von C. parvum handelte und dass durch die verwendete PCR der richtige DNA-Abschnitt amplifiziert wurde. Insgesamt gesehen ist die Methode geeignet, reproduzierbare intrazelluläre Infektionen einer permanenten Zelllinie in vitro zu erzeugen, die sich auch gut mit der vorgestellten PCR nachweisen lassen. Allerdings ist auf diese Weise nur eine semiquantitative Abschätzung der Intensität der Entwicklung (über eine Titrationsreihe) möglich. Es wäre anstrebenswert, hier eine quantitative Methode (z.B. quantitative PCR) einsetzen zu können.

In dieser Arbeit wird eine neue Methode der Vitalitätsbestimmung von Cryptosporidium parvum-Oozysten beschrieben. Die gereinigten Oozysten wurden in einer HCT-8-zelllinie kultiviert und mittels IFAT ausgewertet. Um eine genaue Quantifizierung der fluoreszierenden Flächen vornehmen zu können, wurden die Bilder einer Bildanalysesoftware zugeführt und analysiert. Die Menge eingesäter Oozysten korrelierte signifikant mit den gemessenen Flächen intrazellulärer Entwicklungsstadien. In diesem System wurden verschiedene Feldisolate vergleichend getestet sowie die Vitalität thermisch inaktivierter Oozysten bestimmt.

Die Arbeit hatte zum Ziel, ein In-vitro-Infektionsmodell für den protozoären Durchfallerreger Cryptosporidium parvum zu optimieren und dahingehend zu testen, ob es für eine quantitative Beurteilung der Infektiosität von Kryptosporidienoozysten eingesetzt werden kann. Die verwendeten Oozysten wurden zuvor im Zuge einer Passagierung im Kalb vermehrt, aus dem Kot isoliert, aufgereinigt und zur Infektion einer humanen ileocaecalen Adenokarzinomzelllinie (HCT-8) verwendet Die Kultivierung erfolgte über 48 Stunden in Mikrotiterplatten mit jeweils 24 Kavitäten. Die DNA infizierter Zellen und nichtinfizierter Kontrollen wurde anschließend isoliert und die parasitenspezifische DNA in der real-time PCR quantifiziert. Die gewählten Primer-Sonden-Kombinationen erlaubten eine spezifische Amplifikation der Erreger-DNA. In der Optimierung wurden das Brilliant®QPCR Core Reagent Kit, der ABsoluteTMQPCR sowie zwei verschiedene Oligonukleotidkombinationen untersucht. Durch die Klonierung einer Sequenz im Target-Gen und die Herstellung einer Titrationsreihe aus dieser klonierten DNA gelang es, den für die Vergleichbarkeit unerlässlichen homogenen Standard zu gewinnen. Der In-vitro-Vitalitätsassay wurde außerdem auf seine praktische Anwendbarkeit hin geprüft. Es wurde einerseits eine Desinfektionsmittelprüfung mit Chlorokresol (Neopredisan®135-E), andererseits ein Versuch zur thermischen Inaktivierung, beide unter Nutzung dreier verschiedener C. parvum-Chargen (LE-06-Cp-05/0, LE-07-Cp-05/2 vom Isolat A, LE-06-Cp-05/2 vom Isolat B), vollzogen. Die Überbewertung der Infektiosität der Oozysten durch die Betrachtung der Exzystierung konnte anhand der parallel zur DNA-Quantifizierung ermittelten Exzystierungsraten gezeigt werden. Die Exzystierungshemmung lag in jedem Versuch deutlich unter den in der real-time PCR berechneten Inaktivierungsraten. Je nach verwendeter Oozystencharge lieferte die Desinfektion mit 4 % Neopredisan®135-E Inaktivierungsraten, die zwischen 90 und 100 % bei einstündiger Einwirkzeit lagen. Mit steigender Dauer der Inkubation stieg erwartungsgemäß auch der Grad der Inaktivierung. Die Anwendung der 1 %igen Verdünnung resultierte in einer deutlich gesteigerten Exzystierungsrate gegenüber der unbehandelten Kontrolle sowie in stark variierenden Inaktivierungsraten (24 - 91,5 %). Es konnte gezeigt werden, dass mit Neopredisan®135-E unter den gewählten Inkubationsbedingungen zwar eine gute, aber keine vollständige Inaktivierung der C. parvum-Oozysten erfolgt. Eine suboptimale Wirkung zeigte sich in einer hohen Varianz der Einzelmesswerte. Die Vitalitätsraten betrugen nach einstündiger Inkubation der Oozysten bei 38°C noch 100 %, nach 24 Stunden waren diese bereits auf 5 - 23 % abgesunken. Es scheint, als würden mesophile Verhältnisse die Exzystierung der Sporozoiten anregen und bei längerer Konditionierung eine Erschöpfung des Stoffwechsels der Entwicklungsstadien herbeiführen. Die Inaktivierungsrate bei 55°C lag zwischen 96 und 100 %. Bei thermophiler Konditionierung wurde in drei von sieben Fällen, nach der Inkubation in Neopredisan®135-E nur in einer der sieben Untersuchungen ein vollständiger Vitalitätsverlust beobachtet. Die vorgestellte Methode erwies sich als gut reproduzierbar, sensitiv und schnell. Die In-vitro-Kultivierung des Erregers C. parvum ließ sich mit der real-time PCR, welche eine absolute Quantifizierung erlaubte, gut in Einklang bringen. Die Verwendung der In-vitro-Kultur als lebendes System ließ eine gewisse Variabilität der Ergebnisse zwischen einzelnen Untersuchungen erwarten, die sich aber in einem akzeptablen Bereich bewegten. Eine weitere Optimierung im Sinne einer Sensitivitätssteigerung bei akzeptabler Störanfälligkeit und Variabilität ist anzustreben.