Complementary adaptations of bacterial membranes to low temperatures

Abstract

The membrane of bacteria is a crucial component that separates the cell from its environment and forms the site of essential functions such as energy generation, nutrient uptake, and sensing. Some bacteria can adapt their membrane to low temperatures by changing the endogenous fatty acid composition to maintain the biologically active liquid-crystalline phase and prevent the transition to the gel phase.<br/> Food preservation by cold storage is indispensable to ensure food stability and safety. However, some food-associated bacteria like the zoonotic pathogen <em>Listeria monocytogenes</em> can survive and grow despite low temperatures by adjusting their fatty acid composition via <em>de novo </em>biosynthesis. Furthermore, some strains of this species can adapt by an additional, fatty acid-independent mechanism by increasing menaquinone content. Other food-associated bacteria are also thought to adapt to low temperatures by using fatty acid-independent mechanisms and incorporating synthesized carotenoids into their membrane. Therefore, in the present work, in addition to the <em>de novo</em> synthesis of fatty acids, the effects of exogenous fatty acids from the food matrix and endogenously produced menaquinones on <em>Listeria monocytogenes</em> and of endogenously produced carotenoids from food-associated pigmented bacteria were investigated as cold adaptation mechanisms.<br/> Various supplementation and inhibition experiments, both chemical and molecular, verified the effect of the investigated bacterial membranes' fatty acid-dependent and -independent adaptation to low temperatures. Thus, <em>Listeria monocytogenes</em> incorporated exogenous fatty acids into its membrane to maintain membrane fluidization at low temperatures, revealing an unknown mechanism in this pathogen. Furthermore, the menaquinone-dependent membrane fluidization disruption resulted in lower resistance to temperature stress and lower growth rates of <em>Listeria monocytogenes</em>. The increased level of the rare C₅₀ carotenoid bacterioruberin in the newly discovered food-associated bacterium <em>Arthrobacter bussei</em> and its closest relative <em>Arthrobacter agilis</em> was confirmed as a fatty acid-independent cold adaptation mechanism. In addition to chemical inhibition experiments, genetic manipulation, creating an adapted CRISPR/Cas system for <em>Arthrobacter</em> species, was used as an alternative to studying the effects of the carotenoid. Hence, the present dissertation provides new insights into the cold adaptation mechanisms in human pathogens and novel food-associated bacteria, which sheds light on a little-explored research field and should be considered for future modeling of food stability and objective against bacterial colonization.

<strong>Zusätzliche Anpassungen von Bakterienmembranen an niedrige Temperaturen</strong> <br /> Die Membran von Bakterien ist eine entscheidende Komponente, die die Zelle von ihrer Umgebung trennt und den Ort wesentlicher Funktionen wie Energiegewinnung, Nährstoffaufnahme und Sensorik bildet. Einige Bakterien können ihre Membran an niedrige Temperaturen anpassen, indem sie die endogene Fettsäurezusammensetzung verändern, um die biologisch aktive flüssig-kristalline Phase zu erhalten und den Übergang in die Gelphase zu verhindern.<br/> Die Konservierung von Lebensmitteln durch Kühllagerung ist unerlässlich, um die Stabilität und Sicherheit von Lebensmitteln zu gewährleisten. Einige lebensmittelassoziierte Bakterien wie der Zoonoseerreger <em>Listeria monocytogenes</em> können jedoch trotz niedriger Temperaturen überleben und wachsen, indem sie ihre Fettsäurezusammensetzung durch <em>de novo</em> Biosynthese anpassen. Darüber hinaus können sich einige Stämme dieser Art durch einen zusätzlichen, fettsäureunabhängigen Mechanismus anpassen, indem sie ihren Menachinongehalt erhöhen. Es wird angenommen, dass sich auch andere lebensmittelassoziierte Bakterien an niedrige Temperaturen anpassen, indem sie fettsäureunabhängige Mechanismen nutzen und synthetisierte Carotinoide in ihre Membranen einbauen. Daher wurden in der vorliegenden Arbeit neben der <em>de novo</em> Synthese von Fettsäuren auch die Auswirkungen von exogenen Fettsäuren aus der Lebensmittelmatrix und endogen produzierten Menachinonen auf <em>Listeria monocytogenes</em> sowie von endogen produzierten Carotinoiden aus lebensmittelassoziierten pigmentierten Bakterien als Kälteanpassungsmechanismen untersucht.<br/> Verschiedene Supplementierungs- und Hemmungsexperimente, sowohl chemischer als auch molekularer Art, bestätigten die Wirkung der fettsäureabhängigen und -unabhängigen Anpassung der untersuchten Bakterienmembranen an niedrige Temperaturen. So baute <em>Listeria monocytogenes</em> exogene Fettsäuren in die Membran ein, um die Membranfluidisierung bei niedrigen Temperaturen aufrechtzuerhalten, was einen unbekannten Mechanismus bei diesem Krankheitserreger offenbart. Darüber hinaus führte die von Menachinon abhängige Störung der Membranfluidisierung zu einer geringeren Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturstress und zu niedrigeren Wachstumsraten von <em>Listeria monocytogenes</em>. Der erhöhte Gehalt des seltenen C₅₀ Carotinoids Bacterioruberin in dem neu entdeckten lebensmittelassoziierten Bakterium <em>Arthrobacter bussei</em> und seinem engsten Verwandten <em>Arthrobacter agilis</em> wurde als fettsäureunabhängiger Kälteanpassungsmechanismus bestätigt. Zusätzlich zu chemischen Hemmungsexperimenten wurde die genetische Manipulation, die Schaffung eines angepassten CRISPR/Cas-Systems für <em>Arthrobacter</em> Arten, als Alternative zur Untersuchung der Auswirkungen des Carotinoids eingesetzt. Die vorliegende Dissertation liefert somit neue Erkenntnisse über die Kälteanpassungsmechanismen bei humanpathogenen und neuartigen lebensmittelassoziierten Bakterien, die ein wenig erforschtes Forschungsgebiet beleuchten und für die künftige Modellierung der Lebensmittelstabilität und des Schutzes vor bakterieller Besiedlung in Betracht gezogen werden sollten.