Unterdrückung der bakteriellen Kommunikation Einsatzmöglichkeiten in der Lebensmittelhygiene

Transkript

1 Unterdrückung der bakteriellen Kommunikation Einsatzmöglichkeiten in der Lebensmittelhygiene Thomas Alter, Greta Gölz Institut für Lebensmittelsicherheit und -hygiene, FU Berlin

2 Übersicht Bakterielle Kommunikation Quorum sensing Eigene Arbeiten: Campylobacter - Quorum sensing, Biofilme Potentielle Anwendungsgebiete: Pros / Cons 2

3 Bakterielle Kommunikation Quorum sensing Bakterien sind Einzelzellen, leben jedoch nicht unabhängig voneinander Bakterien "erkennen" Anzahl / Konzentration benachbarter Zellen Quorum sensing = Zelldichte-abhängige Regulation der Genexpression Koordination ihres Verhaltens Steuerung von Prozessen, die für Einzelzellen nicht effektiv sind, aber in Gruppe sinnvoll 3

4 Quorum sensing Erkennung der Zelldichte: - Synthese und Sekretion von Signalmolekülen = Sprechen - Detektion von Signalmolekülen = Hören - seit Jahren bekanntes Phänomen - derzeit: Grundlagenforschung Anwendungsbereiche 4

5 Quorum sensing: Signalmoleküle Autoinducer (AI) intraspezies-spezifisch: gram-positiv: Oligopeptide gram-negativ: Autoinducer-1 interspezies-spezifisch Autoinducer-2 interkingdom Epinephrin/ Autoinducer-3 (???): Enterobacteriacea (z. B. EHEC, Kommunikation zwischen Bakterien und eukaryotischen Zellen) 5

6 Mechanismus am Beispiel Vibrio fisheri AI-1 luxr luxi luxcdabeg LuxR LuxI signalling molecule Signalling molecules diffuse away 6

7 Mechanismus am Beispiel Vibrio fisheri AI-1 luxr LuxR luxi luxcdabeg LuxR LuxI LuxR signaling molecule High concentration re-enter cells 7

8 Quorum sensing-koordinierte Prozesse Virulenz: EHEC O157:H7, Streptococcus, V. cholera Toxinproduktion / -sekretion: Clostridium spp., Vibrio cholera Induktion von Antibiotikatoleranz: E. coli Biofilme: L. monocytogenes, Salmonella, E. coli, P. aeruginosa, Vibrio Mikrobieller Verderb: P. aeruginosa Sporulation: B. subtilis, Motilität: C. jejuni, H. pylori, EPEC Übergang von VBNC in den kultivierbaren Zustand: Vibrio spp. Biolumineszenz: Vibrio spp. 8

9 Eigene Arbeiten Quorum sensing in Campylobacter C. jejuni produziert AI-2 AI-2 Rezeptor nicht bekannt AI-1 Produktion (Moorehead and Griffiths 2011)? Fragen: Andere Campylobacter spp.? Tatsächlich Quorum sensing? Rezeptortyp? AI-2 und Biofilm? (Arbeit mit luxs-mutanten; genetische und chemische Komplementierung) 9

10 AI-2 Produktion von Campylobacter spp. Biolumineszenzassays n-fold induction of luminescence C. coli C. curvus C. fetus C. gracilis C. helveticus C. hyoilei C. hyointestinales 1 C. insulanigrae C. jejuni C. lari C. mucosalis C. peloridis C. rectus C. sputorum C. upsaliensis keine AI-2 Produktion von C. lari, C. peloridis und C. insulanigrae (Gölz et al. 2011) 10

11 Quorum sensing C. jejuni AI-2 und Homocysteine-Komplementierungs-Assays reduziertes Wachstum und Schwärmen teilweise durch AI-2 komplementiert deutet auf AI-2 abhängige Regulation hin (Adler et al. 2014) 11

12 Quorum sensing C. jejuni: AI-2 Rezeptor Biolumineszenz -assays E. coli (Internalisierung und Phosphorylierung) V. harveyi (Bindung über Zwei- Komponenten-Signalsystem) (Adler et al. 2015) deutet auf AI-2-Detektion durch Zwei-Komponenten System hin 12

13 Quorum sensing Campylobacter Phänotypen von luxs-mutanten Wachstum: Motilität: Virulenz/Kolonisation: Überleben in der Umwelt: Biofilmbildung: 13

14 Potentielle Anwendungsgebiete Grundlage: Gezielte Beeinflussung der bakteriellen Kommunikation durch Beeinflussung des Quorum sensings Quorum quenching (QQ) / Quorum sensing inhibition (QSI) AI-Abbau Störung der AI-Signalwege Signalmoleküle anderer Spezies werden abgebaut (Lactonasen, Haloperoxidasen) einige Pflanzen / Algen produzieren strukturelle Analoga zu Quorum sensing- Moleküle oder Quorum sensing-inhibitoren (Furanone, ) 14

15 Quorum quenching Forschung an QQ als therapeutische Strategie noch in Kinderschuhen Humanmedizin Biofilme - Katheter chronische Erkrankungen mit hohen Zelldichten (e.g. Zystische Fibrose Ps. aeruginosa) Wassermikrobiologie Biofouling (Biofilmformierung und Verblockung der Poren von Membranen) QQ reduziert Fouling Reinigungs- / Ersatzfrequenzen senkbar 15

16 Mögliche Einsatzgebiete Lebensmittelsektor Vermeidung / Zerstörung Biofilme Senkung des mikrobiellen Verderbs (Gezielte Beeinflussung Vermehrung von pathogenen Mikroorganismen via AI-1) (Einfluss auf Virulenz von pathogenen Mikroorganismen) Pros: QQ bauen keinen Selektionsdruck auf Resistenzentwicklungen geringer Cons: Eindringtiefe, Wirkdauer, org. Material, Toxizität, Resistenzentwicklungen? 16

17 Biofilme QS involviert in: Biofilmbildung, -ausdifferenzierung, EPS-Produktion Bekämpfung Biofilme: in Kombination mit weiteren Maßnahmen (Modifizierung der Oberflächen, bakterizide Beschichtungen, antimikrobielle Wirkstoffe-Rifampizine, Nanostrukturen; Bakteriophagen, Bakteriozine) 17

18 Mikrobieller Verderb AI-1 und AI-2 nachweisbar in verschiedenen LM (Fisch, Gemüse, Milch, Fleisch) Konzentration korreliert mit Bakterienzahl in LM Derzeitige Forschungsansätze: Spezifische Bedeutung QS im Verderbnisprozess (Enzymproduktion, Vermehrung) Suche nach natürlichen QQ-Substanzen (Knoblauchextrakte, Vanilleextrakte, Ascorbinsäure) Testung QQ in vitro 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Gefördert durch: Joint Initiatives 19