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Bisphenol A (BPA) ist ein Umweltschadstoff, der für die Produktion von Polykarbonatplastik und Epoxydharzen verwendet wird. Aufgrund seiner weltweiten Verbreitung, seiner Persistenz in der Umwelt und vor allen Dingen wegen seiner endokrinen Wirkung, stellt diese Verbindung eine große Gefahr für die Tier- und Pflanzenwelt sowie für den Menschen dar. Deshalb wurde aus einem bepflanzten Festbettreaktor, welcher mit BPA behandelt wurde, der Bakterienstamm RW4 isoliert, der fähig ist Bisphenol A als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle zu nutzen. Das Gram-negative Bakterium wurde mittels 16S rRNA-Analyse als Cupriavidus basilensis identifiziert und mittel der BIOLOG-Methode charakterisiert. Der Bakterienstamm kann ein sehr großes Spektrum an aliphatischen Stoffen wie Aceton, Ethanol, 1-Oktanol und aromatischen Verbindungen wie Phenol, Mono- und Dihydroxybenzoesäuren für das Wachstum nutzen. C. basilensis RW4 baut Bisphenol A nur sehr langsam ab. Es ist jedoch möglich den BPA-Abbau sowohl in Schüttelkulturen und als auch in kontinuierlich laufenden Sandsäulen durch Zugabe von Phenol als Co-Substrat und Wachstumsstimulanz deutlich zu steigern. Die erfassten Abbauintermediate wie 4-Hydroxyacetophenon und 2-(4-Propanol)-phenol wiesen darauf hin, dass C. basilensis RW4 einen ähnlichen Abbauweg nutzt wie Sphingomonas sp. TTNP3 von Kolvenbach et al. (2007) nutzt. In weiteren Untersuchungen, wurde die toxische Wirkung von Bisphenol A auf den Standardmikroorganismus Pseudomonas putida P8 in Schüttelkulturen und in kontinuierlich laufenden Sandsäulen analysiert. Es zeigte sich, dass BPA das Wachstum von P. putida P8 hemmt und Modifikationen in der Zusammensetzung der Phospholipide in der Membran hervorruft. P. putida P8 reagierte unmittelbar auf das Einwirken von BPA auf der Membranebene durch Veränderung des Verhältnisses der trans-ungesättigten Fettsäuren zu den cis-ungesättigten Fettsäuren, was schon in früheren Untersuchungen für andere organische Lösungsmittel beschrieben wurde. Dementsprechend wurde eine Korrelation zwischen der BPA-Konzentration und dem Anstieg des trans-cis-Verhältnisses ermittelt. Weil diese Anpassungsreaktion eine kurzfristige Antwort auf den einwirkenden Stressor ist, konnte der Anstieg des trans-cis-Verhältnisses nur kurz nach BPA-Zugabe erfasst werden. Somit kann das trans-cis-Verhältnis nur als temporärer Biomarker für die Toxizität von BPA in Schüttelkulturen genutzt werden, jedoch nicht in langfristig laufenden Sandsäulen.
Influenza-A-Viren sind wichtige Pathogene von Mensch und Tier. Als Erreger der klassischen Geflügelpest führen hoch-pathogene aviäre Influenzaviren (HPAIV) weltweit zu hohen Verlusten in der Geflügelindustrie. Des Weiteren stellen der zoonotische Charakter und das pandemische Potential, vor allem von Stämmen des Subtyps H5N1, eine ernste gesundheitliche Bedrohung für die Bevölkerung dar. Zur Risikobewertung dieser Viren ist es daher notwendig, genetische Marker zu ermitteln, welche die Virulenz und das Wirtsspektrum beeinflussen. Für die Identifizierung dieser Virulenzdeterminanten sind Pathogenese-Studien in verschiedenen Tiermodellen wie Hühnern und Mäusen essenziell. Bisher wurde gezeigt, dass HPAIV aus niedrig-virulenten Vorläufern durch den Erwerb eines polybasischen Spaltmotives im Hämagglutinin (HA) im Zuge der Adaptation an terrestrisches Geflügel hervorgehen. Im ersten Teil dieser Arbeit sollte daher die Fähigkeit eines niedrig-pathogenen aviären Influenzavirus (LPAIV) vom Subtyp H5N1 zur Ausbildung eines HPAIV-Phänotyps untersucht werden. Dazu wurde das revers-genetische System für das Isolat A/Teal/Germany/Wv632/05 (H5N1) etabliert und das Virus TG05 generiert. In-vitro konnte die Trypsin-Abhängigkeit als Merkmal von LPAIV bestätigt werden. Im Huhn verhielt sich dieses Virus avirulent. Durch zielgerichtete Mutagenese wurde die HA-Spaltstelle in ein polybasisches Motiv mutiert und das Virus TG05poly generiert. Das Virus war wie ein HPAIV zur in-vitro-Replikation ohne Trypsin-Zusatz fähig, löste aber nach der Infektion von Hühnern nur eine zeitlich begrenzte Erkrankung aus. Des Weiteren wurde die HA-Reassortante TG05-HAR65 generiert, deren Genom aus dem HA-Gen des HPAIV-Isolates A/Swan/Germany/R65/06 (H5N1) (R65) und den anderen sieben Gensegmenten von TG05 besteht. Dieses Virus konnte in-vitro ebenfalls Trypsin-unabhängig replizieren, führte aber zu einer Letalität von 30%. Eine weitere Reassortante, R65-HATG05poly, enthielt die umgekehrte Genkonstellation: das mutierte TG05-HA und die anderen Gensegmente des R65. An der Infektion verstarben acht von zehn Hühnern, was der Letalität von „natürlichen“ HPAIV entspricht. Der Erwerb einer polybasischen HA-Spaltstelle ist daher ein notwendiger, aber nicht hinreichender Schritt in der Evolution von LPAIV zu HPAIV. So kann nicht jeder H5- oder H7-LPAIV-Stamm als unmittelbarer HPAIV-Vorläufer dienen. Zusätzlich zur HA-Spaltstelle sind weitere Virulenz-Determinanten im HA selbst, aber auch in den anderen viralen Proteinen, vorhanden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde daher auch der Einfluss der Aminosäuren der unmittelbaren Spaltstellen-Umgebung untersucht. Dazu wurden verschiedene Virus-Mutanten des R65 mit Aminosäure-Substitutionen in der HA-Spaltstelle selbst (Motive ETR und ER) und in ihrer direkten Umgebung (HA-S346V) generiert und hinsichtlich der in-vitro-Replikation und der Virulenz im Huhn untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass HA-346S einen Vorteil für die Replikation von LPAIV und HPAIV vermittelt. T an Position 2 der Spaltstelle unterstützt die Replikation von LPAIV. Bei Erwerb der polybasischen Spaltstelle während der Evolution von LPAIV zu HPAIV müssen also auch die benachbarten Regionen im HA angepasst werden. Die H5N1 HPAIV der Clade 2.2 verbreiteten sich über infizierte Vögel von Südostasien nach Europa, infizierten aber auch eine Vielzahl von Säugerspezies. Normalerweise weisen aviäre Influenzaviren PB2-627E auf; im Gegensatz dazu besitzen die Clade 2.2-Viren PB2-627K, was sonst in humanen Stämmen zu finden ist. Um im dritten Teil dieser Arbeit den Einfluss dieser Mutation auf das breite Wirtspektrum der Clade 2.2-Viren zu untersuchen, wurde im HPAIV-Isolat R65 PB2-627K durch E ersetzt und die Virusmutante R65-PB2K627E generiert. Im Vergleich zu R65 war die Replikation von R65-PB2K627E in Säugerzellen drastisch reduziert, in Vogelzellen replizierten beide Viren jedoch gleich. Des Weiteren führte die Substitution zu einer extrem verringerten Polymerase-Aktivität auf 5% in Säugerzellen, aber nur zu einer vergleichsweise wenig verringerten Aktivität in Vogelzellen. Während die Virulenz im Huhn durch die Mutation nicht verändert wurde, konnte bei der Bestimmung der LD50 in der Maus eine drastische Attenuierung gezeigt werden. Interessanterweise revertierte bereits nach einer Mauspassage PB2-K627E zurück zu K, im Huhn erfolgte diese Reversion aber nicht. Um zu untersuchen, ob andere virale Proteine für diese Reversion notwendig sind, wurden Reassortanten generiert, welche R65-PB2-K627E und ein oder mehrere Gensegmente des R65 im Hintergrund des HPAIV A/Hong Kong/156/97 (H5N1) tragen, welches natürlicherweise PB2-627E besitzt. Mittels Zellkultur-Passagen dieser Reassortanten konnte gezeigt werden, dass die Reversion zu PB2-627K nur in Säugerzellen auftritt, und dass dazu das Nukleoprotein des R65 notwendig ist. Die schnelle Reversion zu PB2-627K in Säugerzellen und in Mäusen zeigt, dass die H5N1 HPAIV der Clade 2.2 in ihrer Evolution möglicherweise mehrere Wirte gehabt haben, zu denen wahrscheinlich auch Säuger gehörten.
There is an increasingly urgent need to understand and predict how organisms will cope with the environmental consequences of global climate change. Adaptation in any form can be mediated by genetic adaptation and/or by phenotypic plasticity. Disentangling these two adaptive processes is critical in understanding and predicting adaptive responses to environmental change. Usually, disentangling genetic adaptation from phenotypic plasticity requires common garden experiments conducted under controlled laboratory conditions. While these experiments are powerful, it is often difficult to translate the results into natural populations and extrapolate to naturally occurring phenotypic variation. One solution to this problem is provided by the many examples of invasive species that exhibit wide phenotypic variation and that reproduce asexually. Besides selecting the appropriate in situ model, one must carefully choose a relevant trait to investigate. Ecomorphology has been a central theme in evolutionary biology because it reflects how organisms can adapt to their environment through their morphology. Intraspecific ecomorphological studies are especially well suited to identify adaptive pressures and provide insights into the microevolutionary mechanisms leading to the phenotypic differentiation.
One excellent candidate for an intraspecific ecomorphological study aiming to understand adaptation through genetic adaptation and phenotypic plasticity is the invasive New Zealand mudsnail Potamopyrgus antipodarum Gray (1853). This ovoviviparous snail features high variability in shell morphology and has successfully invaded a wide range of fresh- and brackish water habitats around the world. The evolutionary and ecological situations in this species’ native and invasive ranges is drastically different. In New Zealand, P. antipodarum’s native range, sexual and asexual individuals coexist and experience selective pressure by sterilizing endoparasites. By contrast, only a few asexual lineages have been established in invaded regions around the globe, where parasite infection is extremely rare. Here, we took advantage of the low genetic diversity among asexually reproducing European individuals in an attempt to characterize the relative contribution of genetic variation and phenotypic plasticity to the wide variation in shell morphology of this snail.
Analysing the ecomorphology of 425 European P. antipodarum in a geometric-morphometric framework, using brood size as proxy for fecundity, and mtDNA and nuclear SNPs to account for relatedness and identify reproductive mode, we hypothesized that 1) shell variation in the invasive range should be adaptive with respect to colonization of novel habitats, and 2) at least some of the variation might be caused by phenotypic plasticity. We then expanded our ecomorphological scope by analysing 996 native specimens, expecting 1) genetic and morphological diversity to be higher in the native range compared to invaded regions; 2) morphological diversity to be higher in sexual compared to asexual individuals according to the frozen niche hypothesis; and 3) shell morphology to be habitat specific, hence adaptative. In a last part, we used computational fluid dynamics simulations to calculate relative drag and lift forces of three shell morphologies (globular, intermediate, and slender). Here, we tested the overall hypothesis that shell morphology in gastropods is an adaptation against dislodgement through lift rather than drag forces, which would explain the counterintuitive presence of wider shells with shorter spires in lotic environments. With a final flow tank experiment, we tested the specific hypothesis that the dislocation velocity of living snails is positively linked to foot size, and that the latter can be predicted by shell morphology, in particular the aperture area as assumed by several authors.
As expected, we found genetic and morphological diversity to be higher in native than in invasive snails, but surprisingly no higher morphological diversity in sexual versus asexual individuals. The relationships between shell morphology, habitat, and fecundity were complex. Shape variation was primarily linked to genetic relatedness, but specific environmental factors including flow rate induced similar shell shapes. By contrast, shell size was largely explained by environmental factors. Fecundity was correlated with size, but showed trade-offs with shape in increasingly extreme conditions. With increasing flow and in smaller habitats such as springs, the trend of shell shape becoming wider was reversed, i.e. snails with slender shells were brooding more embryos. This increase in fitness was explained by our CFD simulations: in lotic habitats, slender shells experience less drag and lift forces compared to globular shells. We found no correlation between foot size and shell shape or aperture area showing that the assumed aperture/foot area correlation should be used with caution and cannot be generalized for all aquatic gastropod species. Finally, shell morphology and foot size were not related to dislodgement speed in our flow tank experiment. We concluded that the relationship of shell morphology and flow velocity is more complex than assumed. Hence, other traits must play a major role in decreasing dislodgement risk in stream gastropods, e.g. specific behaviours or pedal mucus stickiness. Although we did not find that globular shells are adaptations decreasing dislodgement risk, we cannot rule out that they are still flow related adaptations. For instance, globular shells are more crush-resistant and might therefore represent a flow adaptation in terms of diminishing damage caused by tumbling after dislodgement or against lotic specific crush-type predators.
At this point, we can conclude that shell morphology in P. antipodarum varies at least in part as an adaptation to specific environmental factors. This study shows how essential it is to reveal how plastic, genetically as well as phenotypically, adaptive traits in species can be and to identify the causal factors and how these adaptations affect the fitness in order to better predict how organisms will cope with changing environmental conditions.
Analyse der metabolischen Anpassung von Streptococcus pneumoniae an antimikrobielle Umwelteinflüsse
(2019)
Das Gram-positive Bakterium Streptococcus pneumoniae ist ein humanspezifisches Pathogen des oberen Respirationstraktes. Der opportunistische Krankheitserreger kann jedoch mehrere Organe befallen und tiefer in den Körper vordringen, was zu lokalen Entzündungen wie Sinusitis und Otitis media oder zu lebensbedrohlichen Infektionen wie Pneumonie, Meningitis oder Sepsis führen kann. Für das Bakterium S. pneumoniae wurden bisher kaum Metabolom-Daten erhoben. Daher war das Ziel dieser Dissertation eine umfassende Charakterisierung des Metaboloms von S. pneumoniae. In dieser Dissertation wurden als analytische Methoden die Gaschromatografie (GC) und Flüssigkeitschromatografie (LC) jeweils gekoppelt mit Massenspektrometrie (MS) sowie die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) verwendet, um die Metaboliten zu analysieren. Es sind mehrere Analysetechniken erforderlich, um den Großteil des Metaboloms mit seinen chemisch verschiedenen Metaboliten zu erfassen. Artikel I fasst die Literatur zu Untersuchungen des Metabolismus von S. pneumoniae in den letzten Jahren zusammen. Um eine Momentaufnahme des biologischen Systems zum jeweiligen Zeitpunkt zu erhalten, ist neben dem reproduzierbaren Wachstum während der Kultivierung auch die exakte Probenahme zu beachten. Aus diesem Grund wurde in dieser Dissertation ein Probenahmeprotokoll für das Endometabolom von S. pneumoniae etabliert (Artikel II). Mithilfe des optimierten Protokolls wurde eine umfassende Metabolomanalyse in einem chemisch definierten Medium durchgeführt (Artikel II). Um S. pneumoniae in einer Umgebung ähnlich der im Wirt zu untersuchen, wurde in einem modifizierten Zellkulturmedium kultiviert. Intermediate zentraler Stoffwechselwege von S. pneumoniae wurden analysiert. Das intrazelluläre Stoffwechselprofil wies auf einen hohen glykolytischen Flux hin und bot Einblicke in den Peptidoglykan-Stoffwechsel. Darüber hinaus widerspiegelten die Ergebnisse die biochemische Abhängigkeit von S. pneumoniae von aus dem Wirt stammenden Nährstoffen. Ein umfassendes Verständnis der Stoffwechselwege von Pathogenen ist wichtig, um Erkenntnisse über die Anpassungsstrategien während einer Infektion zu gewinnen und so neue Angriffspunkte für Wirkstoffe zu identifizieren.
Die zunehmende Verbreitung von resistenten S. pneumoniae-Stämmen zwingt zur Suche nach neuen antibiotisch wirksamen Substanzen. Im Zuge dessen wurde in Artikel III die metabolische Reaktion von S. pneumoniae während des Wachstums unter dem Einfluss antibakterieller Substanzen mit dem Ziel der Identifizierung metabolischer Anpassungsprozesse untersucht. Dabei wurden Antibiotika mit unterschiedlichen Wirkmechanismen verwendet, wie die Beeinflussung der Zellwandbiosynthese (Cefotaxim, Teixobactin-Arg10), der Proteinbiosynthese (Azithromycin) sowie Nukleotidsynthese (Moxifloxacin). Es konnten keine Wirkmechanismus-spezifischen Marker-Metaboliten identifiziert werden. Jedes Antibiotikum verursachte weitreichende Veränderungen im gesamten Metabolom von S. pneumoniae. Die Nukleotid- und Zellwandsynthese waren am stärksten betroffen. Besonders vielversprechend sind Antibiotika mit zwei Wirkorten wie Teixobactin-Arg10 und Kombinationen aus zwei Antibiotika. In dieser Dissertation wurde das erste Mal das synthetisch hergestellte Teixobactin-Arg10 mittels einer der modernen OMICS-Techniken untersucht. Die vorliegende umfassende Metabolom-Studie bietet wertvolle Erkenntnisse für Forscher, die an der Identifizierung neuer antibakterieller Substanzen arbeiten.
Insgesamt tragen die Ergebnisse der Dissertation zu einem besseren Verständnis der bakteriellen Physiologie bei.
Avian influenza viruses (AIVs) have their natural reservoir in wild aquatic birds but occasionally
spread to terrestrial poultry. While AIVs of subtypes H5 and H7 are well known to evolve highly
pathogenic avian influenza viruses (HPAIVs) during circulation in domestic birds, non-H5/H7
subtypes exhibit only a low to moderate pathogenicity. Furthermore, spillover events to a broad
range of mammalian hosts, including humans, with self-limiting to severe illness or even fatal
outcomes, were reported for non-H5/H7 AIVs and pose a pandemic risk. The evolution of high
virulent phenotypes in poultry and the adaptation of AIVs to mammalian hosts are predominantly
linked to genetic determinants in the hemagglutinin (HA). The acquisition of a polybasic cleavage
site (pCS) is a prerequisite for the evolution of HPAIVs in poultry, while changes in the receptor
binding preference and virus stability are essential for adaptation of AIVs to mammals.
In August 2012, an H4N2 virus with the pCS motif 322PEKRRTR/G329 but preserved trypsin
dependend replication and low pathogenicity in chickens was isolated on a quail farm in California.
In the first two publications, we followed different approaches to investigate virulence factors and
the potential risk for the transition of H4N2 to high virulence in chickens. The loss of N-terminal
glycosylations in the vicinity of the pCS resulted in decreased binding to avian-like receptors and
dramatically decreased virus stability. On the other hand, one deglycosylation increased virus
replication and tissue tropism in chicken embryos but did not alter virulence or excretion in
chickens. Furthermore, additional basic amino acids in the natural pCS motif improved the trypsin-independent
cleavage of HA and caused slightly increased tissue tropism in chickens. However,
the engineered motifs alone did not affect virulence in chickens. Intriguingly, they even had a
detrimental effect on virus fitness, which was restored after reassortment with segments of HPAIV
H5N1. Together, the results show the importance of HA glycosylations on the stability of H4N2 and
reveal the important role of non-HA segments in the transition of this virus to high virulence in
poultry.
The transmission of another non-H5/H7 AIV of subtype H10N7 from birds to seals resulted in mass
deaths in harbor seals in 2014 in northern Europe. The third publication describes nine mutations
in the HA1 subunit of seal isolates compared to avian H10Nx viruses. We found that some of these
mutations conferred a dual specificity for avian and mammalian receptors and altered
thermostability. Nevertheless, the H10N7seal remained more adapted to avian host cells, despite
of the alteration in the receptor binding specificity.
Altogether, this thesis demonstrates that naturally evolved AIVs beside H5 and H7 subtypes
support a highly pathogenic phenotype in the appropriate viral background and alter virulence and
host receptor specificity by few amino acid substitutions in the HA. These findings improve our
knowledge of the potential of non-H5/H7 AIVs to shift to high virulence in birds and the adaptation
in mammals.