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Alexander Lammers

• The discovery of antibiotics around one century ago was a milestone for medicine. However, despite the warning of Alexander Fleming in 1945, antibiotics were used poorly, resulting in many antibiotic-resistant pathogens. Patients infected with resistant pathogens need to get treated with additional antibiotics or, as a last resort, trust completely on their immune system. This causes 700,000 deaths per year. Most clinically used antibiotics have been derived from soil microorganisms, while other niches stayed unexplored. Exploring new niches inhabiting antibiotic-producing microorganisms may result in novel antibiotics. Furthermore, expanding the search from frequently investigated soluble metabolites to volatiles may open up numerous compounds as potential future antibiotics. This thesis is about the search for antimicrobial volatiles produced (among others) by microorganisms from social spider ecosystems, a niche that was little explored until now. Volatiles are characterized by their high vapor pressure at ambient temperatures, allowing them to distribute fast in both the gas and water phase. They can spread quickly even in complex ecosystems using the air and potentially fulfill functions like communication and antimicrobial defense. Especially, volatiles with antimicrobial activities caught the attention of many scientists because of their potential role in pathogen defense, as we have reviewed (Article I). Volatiles are usually produced in the primary metabolism and belong to diverse chemical classes, like hydrocarbons, aromates, alcohols, aldehydes, acids, esters, amides, and thiols. Their antimicrobial spectrum ranges from antifungal, to antibacterial, anti-oomycete, and even broad-spectrum activity. Volatiles are ubiquitously produced. Especially Bacillus and Streptomyces species are often reported to produce antimicrobial volatiles. Knowledge about antimicrobial volatiles – for example, details about their modes of action – is lacking yet, but these compounds may help to overcome the antimicrobial resistance crisis in the future. Volatiles could be used in medicine and agriculture, either alone or in combination with traditional antibiotics, opening new strategies against antimicrobial resistance. A promising source of (volatile) antimicrobials is the ecosystem of social arthropods. Due to their lifestyle in dense colonies, they likely spread pathogens between individuals, making antimicrobial defense crucial. Since the presence of antimicrobial volatiles was reported in social insect ecosystems, we investigated the unexplored volatilome of the Namibian social spider Stegodyphus dumicola (Articles II and III). In the first study, we analyzed the in situ volatilomes of the spiders’ nest, web, and bodies using GC/Q-TOF and revealed that more than 40 % of the tentatively identified volatiles were already known for their antimicrobial activities (Article II). We proved the antimicrobial activity of five pure compounds found in the samples, among others against the suggested spider pathogen Bacillus thuringiensis. These results indicate the potential role of antimicrobial volatiles for pathogen defense and could ultimately help explain the spiders’ ecological success. Volatiles from the spider volatilome can originate from various sources, including microorganisms, surrounding plants, the spiders themselves, the spiders’ prey, so we analyzed the volatilomes of microbial nest members in a second study. The microbial nest members we selected for this were the bacteria Massilia sp. IC2-278, Massilia sp. IC2-477, Sphingomonas sp. IC-11, and Streptomyces sp. IC-207, and the fungus Aureobasidium sp. CE_32 (Article III). Several volatilomes showed antibacterial and/or antifungal activities against two suggested spider pathogens. The subsequent volatilome analyses using GC/Q-TOF revealed the presence of many volatiles that have already been described as antimicrobials. Five pure volatiles were tested against two suggested spider pathogens, revealing all volatiles as antibacterial, antifungal, or both. These results support the potential role of antimicrobial volatiles in social spider pathogen defense and indicate microbial nest members as the origin of (novel) antimicrobial volatiles. Together, the articles that constitute this thesis highlight the antimicrobial power of volatiles (Article I), indicates the volatilome of the ecosystem of S. dumicola as a potential pathogen defense (Article II), and finally reveal the spider nest microbiome as a source for antimicrobial volatiles (Article III). This knowledge not only adds to the understanding of social spider ecosystems (and likely other social arthropod ecosystems) but also has the potential to open a novel source for antimicrobial compounds that may help to counter the antimicrobial resistance crisis.
• Die Entdeckung der Antibiotika vor etwa einem Jahrhundert war ein Meilenstein für die Medizin. Doch trotz der Warnung von Alexander Fleming 1945, wurden Antibiotika suboptimal angewendet, was zu zahlreichen antibiotikaresistenten Pathogenen führte. Patienten, die mit resistenten Pathogenen infiziert sind, benötigen zusätzliche Antibiotika, oder müssen im schlimmsten Fall komplett auf das eigene Immunsystem vertrauen. Dies führt jedes Jahr zu 700.000 Toten. Die meisten klinisch genutzten Antibiotika stammen von Mikroorganismen aus dem Erdboden, wohingegen andere Nischen weitestgehend unerforscht geblieben sind. Die Erforschung neuer Nischen, die von Antibiotika-produzierenden Mikroorganismen bewohnt werden, könnte zu neuen Antibiotika führen. Darüber hinaus könnte die Ausweitung der Forschung von häufig untersuchten löslichen Metaboliten zu volatilen Metaboliten zu zahlreichen neuen potentiellen Antibiotika führen. Diese Doktorarbeit handelt von der Suche nach antimikrobiellen Volatilen produziert von (unter anderem) Mikroorganismen aus dem Ökosystem sozialer Spinnen – einer bisher wenig untersuchten Nische. Volatile sind durch ihren hohen Dampfdruck bei Raumtemperatur charakterisiert und können sich sowohl in der Gas- als auch Wasserphase verteilen. Das bedeutet, dass Volatile sich über die Luft auch in komplexen Ökosystemen schnell ausbreiten können, wodurch sie potentiell Aufgaben wie Kommunikation oder Pathogenabwehr ausführen können. Vor allem Volatile mit antimikrobiellen Eigenschaften erregten durch ihre potentielle Rolle in der Pathogenabwehr die Aufmerksamkeit vieler Wissenschaftler*innen, wie wir in einem Übersichtsartikel gezeigt haben (Artikel I). Die meisten Volatile werden im Primärstoffwechsel synthetisiert und können diversen chemischen Klassen angehören, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffen, Aromaten, Alkoholen, Aldehyden, Säuren, Estern, Amiden und Thiolen. Ihr antimikrobielles Spektrum reicht von antimykotisch, antibakteriell, antioomykotisch bis hin zu Breitbandwirkungen. Volatile werden ubiquitär synthetisiert, vor allem aber über Bacillusund Streptomyces-Arten wird häufig berichtet, dass diese antimikrobielle Volatile produzieren. Unser Wissen über antimikrobielle Volatile – zum Beispiel Details über ihre Wirkmechanismen – ist bisher mangelhaft, jedoch könnten diese Substanzen dabei helfen, die antimikrobielle Resistenzkrise in der Zukunft zu überwinden. Volatile könnten sowohl alleine als auch in Kombination mit herkömmlichen Antibiotika in der Medizin und Landwirtschaft Anwendung finden und dadurch neue Strategien gegen Antibiotikaresistenzen darstellen. Eine vielversprechende Quelle (volatiler) antimikrobieller Wirkstoffe ist das Ökosystem sozialer Arthropoden. Durch ihren Lebensstil in dicht besiedelten Kolonien sind sie im besonderen Maße gefährdet, Pathogene zwischen Individuen zu verbreiten, wodurch für sie ein antimikrobielles Abwehrsystem entscheidend ist. Da antimikrobielle Volatile bereits in Ökosystemen sozialer Insekten berichtet wurden, haben wir das bisher unerforschte Volatilom der namibischen sozialen Spinne Stegodyphus dumicola untersucht (Artikel II und III). In der ersten Studie haben wir das in situ Volatilom von Spinnennestern, -netzen, und -körpern mittels GC/Q-TOF untersucht und dadurch gezeigt, dass mehr als 40 % der vorläufig identifizierten Volatilen bereits für ihre antimikrobiellen Aktivitäten bekannt waren (Artikel II). Wir haben die antimikrobiellen Aktivitäten von fünf reinen Volatilen, die wir in den Proben gefunden haben, unter anderem gegen den vorgeschlagenen Spinnenpathogen Bacillus thuringiensis nachgewiesen. Diese Ergebnisse deuten auf eine potentielle Rolle von antimikrobiellen Volatilen zur Pathogenabwehr hin und könnten letztlich dabei helfen, den ökologischen Erfolg sozialer Spinnen besser zu verstehen. Volatile des Spinnenvolatiloms können aus verschiedensten Quellen stammen, einschließlich Mikroorganismen, umgebenden Pflanzen, den Spinnen selbst oder deren Beute, weshalb wir in einer zweiten Studie die Volatilome von Mikroorganismen untersucht haben, die von den Spinnenestern isoliert wurden. Die ausgewählten Isolate waren die Bakterien Massilia sp. IC2-278, Massilia sp. IC2-477, Sphingomonas sp. IC-11 und Streptomyces sp. IC-207, sowie der Pilz Aureobasidium sp. CE_32 (Artikel III). Mehrere Volatilome waren antibakteriell und/oder antimykotisch gegen die zwei getesteten vorgeschlagene Spinnenpathogene. Die anschließenden Volatilomanalysen mittel GC/Q-TOF zeigten, dass zahlreiche Volatile bereits für ihre antimikrobielle Wirkungen in anderen Studien erwähnt wurden. Fünf reine Volatile wurden gegen die zwei vorgeschlagenen Spinnenpathogene auf ihre antmikrobiellen Aktivitäten getestet, wodurch alle Volatile als antibakteriell, antimykotisch oder sogar beides bestätigt werden konnten. Diese Ergebnisse verdeutlichen die potentielle Rolle antimikrobieller Volatile für die Pathogenabwehr sozialer Spinnen und weisen darauf hin, dass Mikroorganismen aus den Spinnennestern Quelle (neuer) antimikrobieller Volatile sein könnten. Die Artikel, die diese Doktorarbeit bilden, verdeutlichen das antimikrobielle Vermögen von Volatilen (Artikel I), deuten auf eine potentielle Pathogenabwehr durch das Volatilom des S. dumicola Ökosystems hin (Artikel II), und enthüllen schließlich das Spinnennestmikrobiom als Quelle für antimikrobielle Volatile (Artikel III). Dieses Wissen hilft nicht nur, das Ökosystem sozialer Spinnen (und vermutlich auch Ökosysteme anderer sozialer Arthropoden) besser zu verstehen, sondern hat auch das Potential, neue Quellen für antimikrobielle Substanzen zu eröffnen, die dabei helfen könnten, die antimikrobielle Resistenzkrise zu bewältigen.