Fettsäure-unabhängige Anpassung bakterieller Membranen an niedrige Temperaturen

Abstract

Nach dem bisherigen Kenntnisstand der Forschung erfolgt die Kälteadaptation der bakteriellen Zellmembran durch die Änderung der Fettsäurezusammensetzung. In dieser Arbeit wurden Lebensmittel-assoziierte Isolate, deren Fettsäure-abhängige Kälteadaptation keine oder eine unzureichende Anpassung indizierten, auf eine mögliche Fettsäure-unabhängige Kälteadaptation untersucht. Hierfür wurden verschiedene Verfahren zur Analyse der Lipide verwendet und mit Sonden-abhängigen Fluoreszenzmessungen zur direkten Bestimmung der Membraneigenschaften kombiniert. <br /> Das Ausmaß der Fettsäure-abhängigen Adaptation wurde mit Hilfe der Fettsäureprofile bestimmt. In diesem Zusammenhang wurde der ΔWAMT-Wert etabliert, womit alle detektierten Fettsäuren anhand ihrer Schmelztemperatur und ihrem Anteil gewichtet wurden. Hierdurch konnten Unterschiede in der Fettsäure-abhängigen Kälteadaptation bei den untersuchten Stämmen festgestellt werden, die zum Teil auf eine potentielle Fettsäure-unabhängige Anpassung hindeuteten. Die verdächtigten lipophilen Verbindungen, aus den beiden Stoffgruppen der isoprenoiden Chinone und Carotinoide, sollten eine Fettsäure-unabhängige Anpassung in bakteriellen Membranen ermöglichen. Für die Analyse der beiden Stoffgruppen wurden Extraktionsverfahren etabliert, die eine vollständige und konsistente Extraktion, Quantifikation und Identifikation ermöglichten. Anhand der Modellorganismen <em>L. monocytogenes</em> und <em>P. glucanolyticus</em> konnte eine Erhöhung des Menachinongehaltes bei niedrigen Temperaturen detektiert werden. Durch die hohe Anzahl der <em>L. monocytogenes</em> Isolate konnte auch eine strenge signifikante Korrelation zwischen dem Menachinongehalt und der Ausprägung der Fettsäureanpassung gezeigt werden. Das implizierte ein Zusammenspiel zweier Adaptationsmechanismen. Die Zunahme des Carotinoidgehaltes konnten ebenfalls bei beiden Modellorganismen <em>S. xylosus</em> und <em>M. luteus</em> gezeigt werden. <br /> Sonden-abhängige Fluoreszenzmessungen erlaubten die direkte Beurteilung der Membranordnung und -fluidität an ganzen lebenden Zellen. Es konnte eindeutig gezeigt werden, dass die Fettsäure-unabhängige Anpassung zu einer Verbesserung der Membranfluidität bei niedrigen Temperaturen führte, wobei gleichzeitig die Rigidität der Membran erhöht wurde. Dies implizierte die Induktion des flüssig-geordneten (L_o) Zustandes, der die positiven Eigenschaften einer geordneten, kondensierten Membran mit einer hohen Membranfluidität, die für die physiologische Aktivität der Membran von Nöten ist, kombiniert. Im Fall der beiden <em>S. xylosus</em> und <em>M. luteus</em> Stämme konnte eine verbesserte Kälteresistenz durch die Carotinoid-abhängige Kälteadaptation der Membran nachgewiesen werden. Verschiedene Inhibitionsversuche verifizierten die direkte Auswirkung der gezeigten Fettsäure-unabhängigen Anpassungen auf die Membranparameter. Hierfür wurde der Menachinongehalt in <em>L. monocytogenes</em> und der Carotinoidgehalt in <em>S. xylosus</em> erfolgreich reduziert. Es konnte demonstriert werden, dass die Auswirkungen auf die Membran teilweise oder vollständig rückgängig gemacht werden konnten. Das heißt, der Phasenübergang wurde wieder verschmälert, was zu einer Abnahme der Membranfluidität führte. Gleichzeitig konnte auch durch einen Kältestresstest gezeigt werden, dass die verbesserte Überlebensfähigkeit der Zellen von Carotinoiden beeinflusst wurde und nicht durch andere Prozesse der allgemeinen Kälteadaptation der Zelle bedingt war. Mit Hilfe der Transkriptomdaten konnte schlussendlich gezeigt werden, dass die Fettsäure-unabhängige Adaptation eine kontrollierte Regulation der Zellen darstellt.