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For centuries, peatlands have received little attention or recognition due to their perceived insignificance, invisibility, and negative associations. However, they are now receiving increasing attention due to the ecosystem services they provide as carbon and water reservoirs, as well as their rich biodiversity of rare and endangered animals and plants. In the discussion of greenhouse gas (GHG) emissions and their impact on the climate, peatlands are also recognized as being of significant importance. To comprehend the source of these GHG, it is necessary to examine the microbiome of peatlands and the effects of lowering (draining) and raising (rewetting) the water level. Peatlands store large amounts of soil organic carbon (SOC) in form of peat. Dead plant material is preserved in the water-saturated soils and the carbon dioxide (CO2) absorbed from the atmosphere through photosynthesis is stored as peat. However, when the water table in peatlands is lowered, atmospheric oxygen enters the soil, and the soil microbiome changes, leading to the microbial decomposition of SOC and the release of large quantities of CO2. Rewetting can halt aerobic decomposition processes by blocking oxygen. Anaerobic conditions are not conducive to aerobic organisms. Complex plant polymers, such as lignin, can no longer be broken down, preserving the peat body and allowing the peatland to once again serve as a long-term carbon sink. Under these anaerobic conditions, methanogenic archaea produce methane from metabolic products of fermentation processes. Methane is emitted in much smaller quantities, but has about 30 times the warming potential of CO2, making it the second most important GHG after CO2. To gain a better understanding of the processes involved in methanogenesis, it is essential to conduct a detailed investigation of the individual groups of archaea involved. The metabolic pathways of hydrogenotrophic methanogenesis from CO2 and hydrogen, as well as acetoclastic methanogenesis from acetate cleavage, have already been extensively researched and are considered the most significant pathways of methanogenesis. In recent years, additional organisms have been discovered that carry out methylotrophic methanogenesis from methanol and methylated compounds. The methylotrophic order of Methanomassiliicoccales was first described in 2012, but only one pure culture, Methanomassiliicoccus luminyensis, has been isolated. Further research into Methanomassiliicoccales, commonly found in mires, can enhance our understanding of methanogenesis not only in mires but also in other habitats, such as the gastrointestinal tracts (GIT) of animals or water body sediments. This study investigates the peat soil microbiomes, with a focus on methanogenic Archaea of the order Methanomassiliicoccales, at the six study sites of the WETSCAPES project. The sites are located in the three important fen types of Mecklenburg-Western Pomerania (alder forest, percolation fen, and coastal flooded fen), each in drained and rewetted areas. The first article investigates the microbial composition of prokaryotes and eukaryotes in the sites using Illumina MiSeq Amplicon sequencing of 16S rRNA and 18S rRNA genes. The aerobic microorganisms responsible for decomposing plant biomass are present in drained peatlands. In rewetted sites, the relative abundance of these organisms was significantly lower, while other groups, such as fermenting bacteria and methanogenic archaea, occurred in greater numbers. Quantitative polymerase chain reaction (qPCR) was used to determine the number of methanogenic archaea per gram soil. The results indicate that methanogens are at least 10 times more abundant in rewetted peatlands than in drained sites, suggesting increased methanogenesis in rewetted peatlands. These findings were confirmed by GHG measurements. The second article presents an overview of the interactions between water transport, soil chemistry, primary production, peat formation, material conversion and transport, microorganisms, and GHG exchange. The findings are based on state-of-the-art methods in the relevant research areas and combine initial results from all project partners of the WETSCAPES project. The third article focuses on an application-oriented approach and tests different rewetting strategies. The objective of this study was to decrease methane emissions by removing the topsoil and additional planting of peat mosses. The results of the study, which included measurements of GHG emissions and qPCR analyses of methanogenic archaea, showed a significant reduction in methane emissions after the top 30 cm of soil were removed compared to the untreated area. The fourth article deals with the methylotrophic order Methanomassiliicoccales, which belongs to the group of methanogenic archaea. Over a period of 2.5 years, at 12 time points, at three soil depths, 16S rRNA gene sequencing was used to produce a seasonal and spatial analysis of the Methanomassiliicoccales phylotypes present. The results revealed a distribution of the phylotypes based on soil depth, redox potential, and season, which were related to their physiological characteristics. In the fifth article, the 1.52 Mbp genome of "Ca. Methanogranum gryphiswaldense U3.2.1", a Methanomassiliicoccales strain, enriched to > 80% from peat soil of the rewetted percolation fen, was presented. The sixth article presented the microscopic, physiological, and genomic studies of Ca. Methanogranum gryphiswaldense U3.2.1. This hydrogen-dependent, methylotrophic strain from the family Methanomethylophilaceae, uses methanol and trimethylamine as electron acceptors. Despite various attempts, a pure culture has not yet been achieved. The study demonstrates the impact of rewetting on the soil microbiome, revealing its complexity. The development of the microbiome was influenced by various biotic and abiotic factors, depending on the location and water level. The abundance of methanogenic archaea was significantly higher in the rewetted sites compared to the drained ones. The Methanomassiliicoccales were found to be a significant contributor to the methanogenic archaea in the investigated sites. It remains to be examinated whether they also significantly contribute to methane formation. Enrichment cultures and genome analyses were used to investigate the substrate spectrum of Ca. Methanogranum gryphiswaldense U3.2.1 obtained from peat soil. The extraction of a pure culture from peat soils has not yet been successful and therefore remains a goal of future investigations.

To promptly register future outbreaks of mosquito-borne diseases of humans and animals and to be able to take prophylactic measures if necessary, the examination of German mosquitoes for pathogens is essential. The vector competence of a mosquito can be influenced by, among other things, microorganisms that are part of its microbiome. Therefore, studies of the microbiome of native and invasive mosquito species, which may serve as vectors of a variety of pathogens relevant to humans and animals, is essential. Among these vectors, the mosquito species Ae. albopictus, a neozoic species in Germany, plays a dominant role. This species has been present in Germany since 2007, but it is unclear whether it is an invasive species according to the EU Environmental and Nature Protection Act. The classification of Ae. albopictus as an invasive species could enable control measures for this species to be enforced by law, thereby preventing the spread of this highly invasive vector species. Therefore, it is particularly crucial to investigate different fields of mosquito biology to develop an integrated concept for the protection of the human population. On the one hand, this requires knowledge about the spread of mosquito-borne pathogens. Knowing which pathogens circulate in German mosquitoes and which areas of Germany are hostspots of circulation would make it possible to take prophylactic and timely measures to reduce the risk of transmission to humans and animals. New, efficient, and practicable control measures for mosquitoes must be developed to prevent the establishment of new vector species in Germany and to be able to regulate German mosquito populations if necessary. However, to be able to implement control measures against invasive mosquito species including vector species, their distribution within Germany and their influence on the German mosquito fauna must be investigated. Only when this knowledge is available legal and uniform control measures can be taken. Since these interdisciplinary studies on various aspects of the German mosquito fauna are critical for a holistic knowledge of mosquitoes in Germany, three different aspects of the mosquito fauna are dealt with in this dissertation. These three aspects overlap and thus provide a coherent picture of the German mosquito fauna. This study aimed to investigate whether Ae. albopictus is an invasive species in Germany using three taxa from the Cx. pipiens complex in a competition experiment. In addition, this study examined the microbiota of Ae. albopictus from German populations and screened mosquitoes that were captured in Germany for human and veterinary viruses. On the one side, these studies are meant to monitor the spread of mosquito-borne pathogens in Germany to enable timely control measures to be adopted. On the other side, the microorganisms registered in Ae. albopictus may help to modify the vector competence of Ae. albopictus or be used to develop new vector control measures in the future.

Virale Erreger können bei Mensch und Tier schwere bis fatale Enzephalitiden auslösen. Jedoch wird in nur ca. 50 % der Fälle das ätiologische Agens identifiziert. In dieser Arbeit wurde das Potential der Next Generation Sequencing-basierten Metagenomdiagnostik (mNGS) zur Identifizierung neuer Erreger bei infektiösen Enzephalitiden von Mensch und Tier untersucht. Ein weiteres Ziel war es, die Endemiegebiete des Virus der Borna’schen Krankheit 1 (BoDV-1) in Deutschland, Österreich, der Schweiz und Liechtenstein mittels phylogeographischer Analysen genauer zu definieren. Es konnte im Rahmen dieser Arbeit ein wahrscheinlichkeitsbasiertes mathematisches Modell entwickelt und validiert werden, das die individuellen Nachweisgrenzen von mNGS-Analysen und die minimal benötigte Datensatzgröße zur Detektion mindestens eines Virus-Reads in Abhängigkeit des Virus-Wirts-Verhältnisses und der Datensatzgröße berechnet (Ebinger et al. (2020), Comput Struct Biotechnol J). Des Weiteren wurde mNGS bei fatalen Enzephalitiden von Zoo- und Haussäugetieren angewendet, was einerseits zur Identifizierung von Rustrela-Virus (RusV) als ätiologischem Agens führte, einem Virus, das mit dem im Menschen vorkommenden Rötelnvirus verwandt ist. RusV wurde zudem in Gelbhalsmäusen (Apodemus flavicollis) detektiert, die aufgrund der phylogenetischen Nähe des Virus und den fehlenden Anzeichen einer Entzündung als Reservoirwirt identifiziert wurden (Bennett, Paskey, Ebinger et al. (2020), Nature). Andererseits wurde ein bislang unbekanntes ovines Enterovirus in Lämmern bei einem akuten Ausbruchsgeschehen auf einem österreichischen Milchschafbetrieb als Ursache von fatalen Enzephalitiden identifiziert (Weissenböck, Ebinger et al. (2021), Transbound Emerg Dis). Die phylogeographische Analyse von insgesamt 246 BoDV-1-Infektionen in Mensch, Haussäugetieren und in den als Reservoirtier geltenden Feldspitzmäusen (Crocidura leucodon) ergaben eine umfassende und detaillierte Definition der BoDV-1-Endemiegebiete. Es konnte belegt werden, dass sich die verschiedenen speziesübergreifenden phylogenetischen Cluster in kaum überlappende regionale Subkladen aufteilen und die meisten zoonotischen Spillover-Infektionen in der Nähe der Wohn- oder Haltungsorte der jeweiligen Fälle auftraten (Ebinger et al. (2023), eingereicht). Insgesamt tragen die Ergebnisse zu einem deutlich verbesserten Verständnis der Sensitivität und Interpretierbarkeit von mNGS-Analysen im klinischen und wissenschaftlichen Kontext bei und geben wichtige Hinweise zum Vorkommen, Verbreitung, Wirtsspektrum und genetischer Diversität von Rubiviren, ovinen Enteroviren und BoDV-1.

Angesichts zunehmender Antibiotikaresistenzen, insbesondere bei gramnegativen Bakterien, wird die erfolgreiche Behandlung von Infektionskrankheiten immer schwieriger. Durch die zunehmende Verbreitung resistenter Erreger besteht ein dringender Bedarf an neuen antimikrobiellen Substanzen. Die Natur bietet eine vielfältige Quelle für potenzielle Wirkstoffe, insbesondere phenolische Naturstoffe. Für einige der bislang bekannten mehr als 8000 Flavonoide wurden bereits verschiedene Wirkungen, auch antimikrobielle, beschrieben. Zusätzlich zur Suche neuer antimikrobiell aktiver Wirkstoffe ist auch der Fokus auf weitere Anwendungsmöglichkeiten zielführend. Dafür wurden im Rahmen dieser Dissertation sieben phenolische Naturstoffe mit sechs konventionellen Antibiotika verschiedener Klassen hinsichtlich synergistischer Aktivitäten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass phenolische Naturstoffe in Kombination mit Antibiotika synergistische Effekte gegen multiresistente ESKAPE-Pathogene (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa und Enterobacterales) aufweisen. Die Kombination von Naturstoffen wie Quercetin und EGCG mit Antibiotika wie Ampicillin, Cefotaxim oder Gentamicin zeigte in vitro additive und synergistische Effekte. Zum Beispiel wurde durch die Kombination von EGCG und Gentamicin die minimale Hemmkonzentration (MHK) für resistente A. baumannii-Stämme gesenkt, wodurch diese Stämme wieder als sensitiv nach EUCAST-Norm eingestuft werden konnten. Ein weiterer Ansatz zur Beeinflussung von bakteriellen Erregern ist die Untersuchung von Virulenzmechanismen, beispielsweise der Biofilmbildung. Biofilme stellen aufgrund ihrer strukturellen Komplexität und inkludierter Resistenzmechanismen eine große Herausforderung dar. Die Arbeit untersuchte die Hemmung der Biofilmbildung durch phenolische Naturstoffe, indem deren Effekt auf die Bildung und Struktur von Biofilmen analysiert wurde. In einem Makrokolonieassay wurden 320 phenolische Substanzen hinsichtlich ihrer Fähigkeit getestet, Biofilme von multiresistenten E. coli zu hemmen. Dabei zeigten 16 Substanzen eine mindestens mittelstarke Hemmung der Biofilmbildung, darunter Epigallocatechingallat (EGCG) und Scutellarein. Breit angelegte Laborscreenings zur Entdeckung neuer antimikrobieller, synergistischer und biofilminhibierender Substanzen erfordern jedoch hohe Investitionen bezüglich Zeit und Material. Ein mathematisches Modell zur gezielten Vorhersage neuer Biofilminhibitoren wurde in Kooperation mit der FU Berlin entwickelt. Dieses Modell basiert auf den erhobenen Screeningdaten und ermöglicht es, zahlreiche phenolische Naturstoffe oder deren Derivate ohne umfangreiche Laborscreenings zu analysieren. Mithilfe des Vorhersagemodells wurden ebenfalls neue Inhibitoren gefunden, darunter Octylgallat und Wedelolacton. Außerdem wurde die Auffindungsrate von aktiven Substanzen um das Siebenfache gesteigert. Die Verwendung von Machine Learning zur Selektion und Vorhersage potenzieller Wirkstoffe kann die Effizienz der Wirkstoffforschung folglich erheblich steigern und die Kosten und Zeit der Laborarbeit reduzieren. Ein zentrales Element der Dissertation ist zusätzlich die initiale Untersuchung der Wirkmechanismen ausgewählter phenolischer Naturstoffe als Biofilminhibitoren. Durch RNA-Sequenzierung (RNAseq) wurden die Effekte von vier ausgewählten Substanzen auf das Biofilmtranskriptom analysiert. Diese Methode ermöglicht es, die dynamischen Veränderungen in der Genexpression unter dem Einfluss der Naturstoffe zu erfassen. Ergänzend dazu wurde die zeitabhängige Wirkung dieser Substanzen auf spezifische biofilmassoziierte Gene mittels quantitativer PCR (qPCR) untersucht. Zusammenfassend bestätigt die Arbeit die Wirksamkeit von phenolischen Naturstoffen in Kombination mit Antibiotika zur Bekämpfung multiresistenter ESKAPE-Pathogene und zur Hemmung von Biofilmen. Sie zeigt auch die Notwendigkeit einer interdisziplinären Herangehensweise, die moderne Technologien wie Machine Learning integriert, um die Effizienz der Wirkstoffforschung zu steigern. Diese Ansätze bieten das Potenzial, neue und effektive Behandlungsoptionen gegen resistente Infektionserreger zu entwickeln, die einen bedeutenden Beitrag zur öffentlichen Gesundheit leisten können.

In dieser Arbeit wurden verschiedene Faktoren untersucht, welche die Selbsterneuerungskapazität myeloischer Leukämie-Stammzellen beeinflussen können. Der Fokus liegt dabei vor allem auf der Untersuchung von Zellpolaritäts-Regulatoren der Scribble-Komplex Familie sowie Proteinen, welche Signalwege regulieren, die für die Selbsterneuerung leukämischer Stammzellen eine Rolle spielen. Bei der Untersuchung verschiedener Scribble-Komplex Mitglieder wurde LLGL1 als eine Vulnerabilität in der akuten myeloischen Leukämie (AML) identifiziert. Die Inaktivierung von LLGL1 in Leukämie-Zellen zeigte eine verminderte proliferative Kapazität dieser Zellen in vitro und eine verzögerte Leukämie-Entwicklung in vivo. Zudem führte die genetische Inaktivierung von Llgl1 in einem FLT3-ITD getriebenen Leukämie-Mausmodell zu einem Verlust der Expression von Stammzell-assoziierten Genen und zu einer Induktion eines leukämischen Phänotyps, der vor allem durch „granulocyte-macrophage“ Progenitorzellen (GMP) gekennzeichnet ist. Durch Überexpression des HoxA-Gens konnte der ursprünglich aggressive AML-Phänotyp wiederhergestellt werden. Diese Daten zeigen, dass LLGL1 für die Proliferationskapazität sowie für die Aufrechterhaltung des undifferenzierten Zell-Phänotyps bei der AML eine funktionelle Rolle spielt. Das hier verwendete konventionelle („straight“) FLT3-ITD Mausmodell ist charakterisiert durch einen myeloproliferativen Phänotyp, der mit einer Vergrößerung der Milz, einer erhöhten Granulozyten- und Monozyten-Population sowie einer Reduktion der lymphoiden Zellen (B-, T-Zellen) einhergeht. Die Kreuzung dieses homozygoten Mausmodells mit einer Cre-Rekombinase zeigte interessanterweise, ohne dass ein zusätzliches konditionales Allel vorhanden gewesen wäre, die Entwicklung eines aggressiven und morphologisch unreifen AML-Phänotyps. Dieser kooperative Effekt bei der Leukämie-Entwicklung konnte mit verschiedenen Cre-Rekombinasen (Mx1-Cre, Scl-CreERT, LysM-Cre, retrovirale Cre-Expression) nachgewiesen werden. Zudem konnte eine polyklonale Expansion von unreifen Progenitorzellen beobachtet werden, die aus einer Aktivierung von Myc-abhängigen Genexpressionsprogrammen und einer Differenzierungsblockade resultierten. Dabei zeigte sich, dass die aktivierte Cre-Rekombinase eine verbliebene Neomycin-Resistenzkassette in dem eingebrachten FLT3-ITD Target-Vektor herausschneidet und deren Verlust zu erhöhter FLT3-Aktivität und somit dem beobachteten Leukämie-Phänotypen beitragen kann. Chromosomentranslokationen, die bei akuter myeloischer Leukämie (AML) auftreten, können zu onkogenen Fusionen mit abweichenden epigenetischen und transkriptionellen Funktionen führen. Ein direkter therapeutischer Angriff dieser Fusionsproteine bei Leukämien ist jedoch bisher nicht gelungen. Durch globale Proteom-Analysen an murinen Leukämie-Stammzellen (LSC), konnten wir Kalzium-abhängige zelluläre Funktionen sowie Phospholipase C (PLC)-abhängige Signalwege als mögliche Vulnerabilitäten in AML1-ETO (AE) getriebenen Leukämien identifizieren. Dabei zeigte sich, dass ausschließlich das PLC-Familienmitglied PLCG1 in AE-transformierten Leukämien am höchsten exprimiert wird. Die PLCG1 Expression in AE-getriebenen Leukämien wird dabei durch ein intergenes regulatorisches DNA-Element induziert. Die genetische Inaktivierung von PLCG1 in humaner und muriner AE-transformierter AML hemmt sowohl die Selbsterneuerungskapazität als auch die Proliferation der Leukämie-Stammzellen in vitro und die Erhaltung der Leukämie in vivo. Die pharmakologische Hemmung Kalzium-abhängiger Signalwege unterhalb von PLCG1 in AE-transformierten Zellen führte zu einer Reduktion der Leukämie-Last in einem AE-induzierten Leukämie-Mausmodell. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die PLCG1-abhängige Ca2+-Signalübertragung ein entscheidender Weg für die Aufrechterhaltung und Selbsterneuerung von AE-mutierten Leukämie-Stammzellen ist und somit einen potentiellen therapeutischen Angriffspunkt für AE-getriebene LSCs darstellt.