Biofilm formation in the thermoacidophilic crenarchaea Sulfolobus spp.

Abstract

In dieser Studie wurden Biofilmanalysen an Crenarchaeota durchgeführt, welche die ersten tiefergehenden Untersuchungen an archaealen Biofilm überhaupt sind. Es wurden Methoden für die Analyse von Biofilm entwickelt, wie zum Beispiel der Mikrotiter Assay, CLSM und das Färben zur Detektion von Biofilm. Die verwandten Stämme S. solfataricus, S. acidocaldarius und S. tokodaii zeigten erhebliche Unterschiede in ihrer Biofilmarchitektur (von teppich- bis zu turmartigen Strukturen), im Protein- und Transkriptionsmuster, als auch im Bedarf von Zellanhängen für die Biofilmentwicklung. In der Biofilmmatrix konnten hohe Anteile an Zuckern (Mannose-, Glucose-, N-acetyl-D-glucosamin- und Galactosylreste) detektiert werden, wobei derzeit noch unklar ist, ob diese Zucker auf Exopolysaccharide, glykosylierte Proteine oder beides zurückzuführen sind. Zusätzlich wurden in der Biofilmmatrix geringe Mengen an eDNA nachgewiesen, die allerdings nicht für die Stabilität und Struktur des Biofilms benötigt werden. Auffällig war, dass alle Stämme unterschiedliche Reaktionen im Biofilm unter Stressbedingungen zeigten (Temperatur, pH und Eisen). Gene, die möglicherweise in Archaea generell eine Rolle in der Biofilmbildung spielen sind der Transkriptionsregulator Lrs14 und FabG, welches möglicherweise an einem neuartigen „quorum sensing system“ von Archaeen beteiligt ist. Weitere interessante Beobachtungen wurden bei der Analyse von Mutanten und dem Einfluss von Oberflächenstrukturen auf Biofilm Formation und Anheftung gemacht. Während S. solfataricus sowohl die Flagelle als auch den Ups-Pilus für die Anheftung an Oberflächen benötigt, sind diese für die weitere Biofilmformation weniger essentiell. Ein anderes Ergebnis wurde bei S. acidocaldarius erzielt, wo die Deletion von mindestens zwei Anhängen zu einer reduzierten Anheftung führte. Eine Ausnahme war hier das Anheften das bei Mutanten beobachtet wurde, die nur noch den Aap-Pilus besaßen (Steigerung um 150%). Die einzelnen Deletion von Oberflächenstrukturen hatte zudem auch Einfluss auf die Biofilmarchitekturen (drei verschiedene Phänotypen). Ein GFP wurde adaptiert und bietet nun die Möglichkeit für Biofilm Analysen von S. acidocaldarius. Abschließend hat eine in vivo Analyse der Ssα-man einen Einfluss auf die Zuckerzusammensetzung des EPS in S. solfataricus ergeben. Wobei aufgrund der erzielten Ergebnisse, nicht auszuschließen ist, dass dieses Protein in Sulfolobus spp. an einer möglichen Prozessierung des Glycan beteiligt ist