Biochemische und physiologische Charakterisierung der extrazellulären Matrix eines Modellbiofilms

An der Grenzschicht zwischen einer festen Oberfläche und der umgebenden Luft wachsende subaerische Biofilme (SAB) zeichnen sich durch eine erhöhte Toleranz gegenüber extremen Umweltbedingungen und dem Eintrag von Bioziden aus. Dieser Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen wird vornehmlich durch den Beitrag von extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) und Pigmenten, wie Melanin und Carotinoiden, vieler unterschiedlicher Organismen gewährleistet. Deren Synthese wird wiederum durch intrazelluläre Botenstoffe reguliert. Das Cyanobakterium Nostoc punctiforme und der mikrokoloniale Pilz Knufia petricola, als Partner eines etablierten SAB-Modells und Vertreter zweier typischer Organismengruppen in SAB, wurden genutzt, um Botenstoffe und Pigmente genetisch zu manipulieren und die Biofilmmatrix dieser Mutanten strukturell zu untersuchen. In dieser Arbeit konnten erstmals die EPS beider Organismen extrahiert und die Struktur der extrazellulären Polysaccharide beschrieben werden. Daneben wurden die extrazellulären Polysaccharide von K. petricola Wildtyp mit denen verschiedener Pigmentmutanten verglichen. Das Fehlen des Schutzpigmentes Melanin führte zu einer ausgeprägteren extrazellulären Matrix in den Biofilmen. Gleichzeitig änderte sich die Struktur der extrazellulären Polysaccharide. Während der Wildtyp zu ~80% ein α-Glucan und zu ~20% ein α/β-Galaktomannan sekretierte, war der Anteil des Galaktomannans bei den Melaninmutanten erhöht. Das Ausschalten der Carotinoid-Synthese hatte jedoch keinen Einfluss auf die Beschaffenheit der extrazellulären Polysaccharide. Ein deutlich komplexeres extrazelluläres Polysaccharid aus acht verschiedenen Monosaccharid-Einheiten bildete N. punctiforme. Durch die Überproduktion des bakteriellen sekundären Botenstoffes c-di-GMP konnte zudem ein grundlegender Einfluss auf die Reaktion des Cyanobakteriums gegenüber externen Signalen und die damit verbundene Zelldifferenzierung gezeigt werden. Ein artifiziell erhöhtes c-di-GMP-Level in den Zellen führte zur Ausbildung eines sessilen Lebensstils durch Hemmung der Differenzierung motiler Hormogonien und vermehrte Produktion von EPS. Die Struktur der extrazellulären Polysaccharide wurde dadurch nicht verändert. Neben der strukturellen Analyse konnten die Veränderungen der extrazellulären Matrix beider Organismen zusätzlich durch mikroskopische Methoden visualisiert werden. Beide Organismen steuern komplexe Polymere, deren Produktion maßgeblich mit intrazellulären Faktoren verknüpft ist, zu der extrazellulären Matrix des Modellbiofilms bei

The role of extracellular polymeric substances of fungal biofilms in mineral attachment and weathering

The roles extracellular polymeric substances (EPS) play in mineral attachment and weathering were studied using genetically modified biofilms of the rock-inhabiting fungus Knufia petricola strain A95. Mutants deficient in melanin and/or carotenoid synthesis were grown as air-exposed biofilms. Extracted EPS were quantified and characterised using a combination of analytical techniques. The absence of melanin affected the quantity and composition of the produced EPS: mutants no longer able to form melanin synthesised more EPS containing fewer pullulan-related glycosidic linkages. Moreover, the melanin-producing strains attached more strongly to the mineral olivine and dissolved it at a higher rate. We hypothesise that the pullulan-related linkages, with their known adhesion functionality, enable fungal attachment and weathering. The released phenolic intermediates of melanin synthesis in the Δsdh1 mutant might play a role similar to Fe-chelating siderophores, driving olivine dissolution even further. These data demonstrate the need for careful compositional and quantitative analyses of biofilm-created microenvironments