Identifizierung eines lokal wirkenden Proteinnetzwerks bei der c-di-GMP-vermittelten Kontrolle der Biofilmbildung in Escherichia coli

Abstract

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.

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.