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Das zu den Protozoen gehörende Phylum der Apicomplexa umfasst nahezu 6000 Parasitenarten. Die meisten Apicomplexa haben sich an eine obligat intrazelluläre Lebensweise angepasst und infizieren verschiedenste Tiere und den Menschen. Zu den bedeutendsten Vertretern der Apicomplexa zählen Toxoplasma, Plasmodium und Eimeria. In dieser Arbeit lag der Schwerpunkt auf den drei repräsentativen Organismen Toxoplasma gondii, Eimeria falciformis und Plasmodium berghei, welche sich alle in einem etablierten Wirt (der Maus) reproduzieren, sich allerdings hinsichtlich ihrer Wirtszellen, Persistenz sowie in ihrem Reproduktionsverhalten deutlich unterscheiden. Somit ermöglichen die genannten Parasiten eine umfassende Untersuchung der Biologie der Apicomplexa. Die meisten Entwicklungsstufen dieser Pathogene sind sehr eng mit der Wirtszelle assoziiert, was auch metabolische Wechselwirkungen beinhaltet. Das Verständnis dieser Interaktionen ist unerlässlich, um die Evolution von Parasiten zu ergründen. Grundsätzlich war das Ziel dieser Arbeit, die metabolischen Netzwerke der genannten Parasiten zu eruieren und den Einfluss des Metabolismus auf Wachstum, Pathogenese und Adaption in verschiedenen Nährstoffumgebungen zu untersuchen. Unsere Vorgehensweise verband biochemische, revers-genetische, zellbiologische und optogenetische Bottom-Up-Methoden mit Top-Down-Methoden wie Lipidomics, Metabolomics und Transcriptomics um folgende Prämissen anzugehen: • Vergleichender Entwurf der metabolischen Netzwerke in den obengenannten Parasiten • Nährstoff-Plastizität für die Überlebensfähigkeit des Parasiten in verschiedenen Milieus • Umregulierung oder Ausbeutung des Wirtsmetabolismus durch intrazelluläre Parasiten • Stadien-spezifische Regulation des Metabolismus während der asexuellen Reproduktion • Identifizierung und Validierung potentieller anti-parasitischer Wirkstoffe / The protozoan phylum apicomplexa comprises nearly 6000 parasitic species. Most apicomplexans have adapted to obligate intracellular parasitism in a wide range of organisms, including animals and humans. Some notable members of the phylum include Toxoplasma, Plasmodium and Eimeria species. This study focused on three representative parasites, namely Toxoplasma gondii, Eimeria falciformis and Plasmodium berghei, all of which infect a common and well-established model host organism (i.e. mouse), but have diverged from each other considerably with respect to the target host cells, persistence and reproduction behavior. These parasites together therefore enable a fairly inclusive study of the apicomplexan biology. Most developmental stages of these pathogens intimately associate with host cells, involving a metabolic crosstalk between the two entwined entities. A germane understanding of such interactions is vital to appreciate the evolution of parasites. In a nutshell, this work aimed to determine the design of metabolic networks in indicated parasites and the impact of metabolism on growth, pathogenesis and adaptation in discrete nutritional milieus. Our approach blended bottom-up methods of biochemistry, reverse genetics, cell biology and optogenetics with the top-down lipidomics, metabolomics and transcriptomics to address the following major premises: • Comparative design of the selected metabolic networks in aforementioned parasites • Nutritional plasticity underlying the parasite survival in variable environments • Subversion or exploitation of host metabolism by intracellular parasites • Stage-specific rewiring of parasite metabolism during asexual reproduction • Identification and endorsement of potential anti-parasitic drug targets

Dreikantmuscheln (Dreissena polymorpha) sind aufgrund ihrer speziellen Ernährungsweise in der Lage, erhebliche Wassermengen unterschiedlichster Qualität sehr effektiv zu filtrieren und dabei zu reinigen (Biofilter). Ziel der Arbeit waren Einschätzungen zum Leistungsumfang, der Nutzung und von Grenzen des Muschelfilters. Die Exposition der Muscheln erfolgte in der Elbe am Neustädter Hafen in Dresden (Oberflächengewässer), in dem ersten und zweiten Schönungsteich der Kläranlage Reichenau (Sachsen) und in einem Waldbad in Langebrück (Badegewässer). Eine wirksame Elutionsmethode war die Grundlage um Mikroorganismen (Bakterien, Viren und Parasiten) aus dem Muschelgewebe effizient nachweisen zu können. Die bakterielle Wiederfindungsrate von 86% und eine Wiederfindung von 97% für Bakteriophagen bestätigen die Elutionseffizienz des Verfahrens. Die Befähigung von Dreissena polymorpha zu einer saisonal beeinflussten Bioakkumulation gegenüber dem Umgebungswasser konnte durch ein Monitoring mit einem Anreicherungsfaktor für Bakterien von 87 (gemittelt) und für Bakteriophagen von 261 (gemittelt) eindrucksvoll bestätigt werden. Batchversuche im Labormaßstab bestätigten die im in situ - Monitoring ermittelte Bakterienakkumulation und demonstrieren darüber hinaus eine temperaturabhängige Inaktivierung (Elimination) der Bakterien (Intestinale Enterokokken) durch die Muscheln mit Reduktionsraten von -77% bei 20°C bzw. -61% bei 6°C. Nicht alle aufgenommenen Organismen werden durch die Muscheln inaktiviert. Das ergaben die in situ Sedimentuntersuchungen unter dem Muschelfilter. Die Verdopplung der Enterokokken sowie die erhöhten Werte der somatischen Coliphagen im Sediment unter Muschelbesatz charakterisieren dieses Kompartiment als Keimreservoir. Die bakterielle Besiedlung des Verdauungstraktes von Dreissena polymorpha wird stark durch die Bakterienzönose des umgebenden Wassers beeinflusst. Sowohl im Wasser als auch im Muschelgewebe dominierten fünf Bakterienstämme (Actinobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes,"environmental group"). Eine auffallend hohe Dominanz zeigten die Mycoplasmen (Firmicutes), was auf eine mögliche ökologische Nische für Vertreter dieser Gattung in der Muschel hindeutet. In allen Muscheleluaten des Monitorings wurden Legionellen nachgewiesen. Die Muscheln des Teiches 2 der KA Reichenau zeigten mit 86% die höchste Kontamination aller Expositionsorte. Legionellenamplifikate im Muscheleluat 2 gingen kontinuierlich mit ebenfalls positiven Befunden im Wasser einher, so dass der Einsatz von Dreissena polymorpha auch im Biomonitoring von Legionellaceae möglich ist. Erstmalig wurden in der Elbe und im Abwasser der KA Reichenau E. coli O157:H7 infizierenden Phagen und deren Anteile nachgewiesen. Die Elbe lag mit einem E. coli O157:H7 infizierenden Phagenanteil von 7,5% deutlich über dem Rohabwasser (1,0%) und dem Zulauf zum ersten Schönungsteich der Kläranlage (0,5%). Der Stx Gennachweis im Muscheleluat war dagegen nur in einer von 24 Proben erfolgreich. Enterale Viren (AdV, EV) wurden in den Dreikantmuscheln und ihrem Umgebungswasser diskontinuierlich nachgewiesen. Enteroviren wurden im Wasser (57% gemittelt) häufiger als in der parallelen Muschelproben (10%) nachgewiesen. Parasiten (Giardia lamblia und Cryptosporidium parvum) werden durch die exponierten Muscheln aufgenommen, dies bestätigten die qualitativen Testergebnisse. In den Dreikantmuscheln wurde sowohl für G. lamblia (78%), als auch für Cryptosporidien (77%) eine durchschnittlich höhere Nachweisrate im Vergleich zu den korrespondierenden Wasserproben (42% und 36%) ermittelt. Die effiziente Akkumulation und die Umweltresistenz der Dreikantmuscheln sind hervorragende Eigenschaften, die sich zu einem zuverlässigen Biomonitor mit "Hygienegedächtnis" und hoher Sensibilität vereinen lassen.

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