Abstract
Members of the genus Pseudomonas are metabolically and physiologically extremely versatile. They inhabit a wide variety of habitats, including diverse terrestrial and aquatic niches. Some strains are of great interest because of their importance to cause plant and human diseases, as well as for their potential in biotechnological applications The diverse lifestyles of Pseudomonas sp. and the complexity of their interactions with multiple hosts have been the subject of numerous studies. In nature, most of bacteria live in close association with surfaces as complex communities referred to as biofilms. Bacteria growing in biofilms are usually more resistant to hostile conditions than those growing planktonically. Cell densities are very high in biofilm communities, and since the biofilm matrix also acts as a diffusion barrier for signal molecules, biofilms represent an ideal environment for the induction of cell-to-cell communication systems, generally named quorum sensing (QS) systems. The term QS is generally used to describe the phenomenon that bacteria are capable of perceiving and responding to self-generated signal molecules to coordinate their behavior at the group level. Apart from signaling molecules, pseudomonads are known to produce a variety of bioactive compounds, including biosurfactants, which contribute to their niche adaptation, e.g. bacterial competition or associations with certain plant and animal hosts. Bacteria face a constant battle for space and resources. On account of this rivalry they have evolved numerous strategies to deal with competitors. Phenotypic traits such as biofilm formation, cell-to-cell communication, secondary metabolites production, and bacterial competition are commonly associated with the lifestyle of these bacteria and their study may contribute to a better understanding of their success in the environment. The focus of this thesis was to investigate: i) the link between QS and biofilm formation, ii) biosurfactant production, and iii) bacterial competition, using the plant promoting bacterium, Pseudomonas putida IsoF as a model organism. My work showed that QS signals (N-acyl-homoserine lactones, AHLs) are stochastically produced at early stages of P. putida biofilms, and act mainly as self-regulatory signals, triggering asocial motility of induced cells out of microcolonies. These findings broaden the perspective on QS by showing that AHLs can control the expression of asocial (self-directed) traits, and that heterogeneity in QS can serve as a mechanism to drive phenotypic heterogeneity in self-directed behavior. In addition 1-7 found that two QS-regulated loci are responsible for biosynthesis of the cyclic lipopeptide (CLPs) biosurfactants, putisolvin I and II. One locus encodes the fatty acid CoA ligase PpuA which is required to attach the hexanoic acid chain to the peptide moiety synthesized by the psoABC operon. Finally I found that P. putida IsoF antagonizes several proteobacterial species by the aid of a type six secretion system (T6SS) and show that this antagonism is particularly effective in mixed-species biofilms.
Mitglieder des Genus Pseudomonas sind metabolisch und physiologisch sehr vielseitig. Dadurch können sie eine Vielzahl an unterschiedlichen Habitaten besiedeln, wie etwa verschiedene terrestrische und aquatische Nischen. Einige Stämme sind aufgrund ihres Potenzials zur biotechnologischen Anwendung von großem Interesse, andere wiederum da sie Krankheitserreger von Pflanzen und Menschen sind. Die unterschiedlichen Lebensweisen von Pseudomonas sp. sowie die Komplexität ihrer Interaktionen mit verschiedenen Wirtsorganismen wurden schon in einer Vielzahl von Studien untersucht. In der Umwelt leben die meisten Bakterien in enger Assoziation mit Oberflächen als komplexe Gemeinschaften, so genannten Biofilmen. Bakterien in Biofilmen sind normalerweise resistenter gegenüber feindlichen Lebensbedingungen als planktonisch lebende Bakterien. Da die Zelldichte in Biofilmgemeinschaften enorm hoch ist und gleichzeitig die Biofilmmatrix als Diffusionsbarriere für Signalmoleküle wirkt, stellen Biofilme eine ideale Umgebung für die Induktion von Zell-Zell-Kommunikationssystemen dar, welche als Quorum-sensing (QS) Systeme bezeichnet werden. Die Bezeichnung QS beschreibt das Phänomen, dass Bakterien selbst generierte Signalmoleküle wahrnehmen und darauf reagieren können um ihr Gruppenverhalten zu koordinieren. Es ist bekannt, dass Pseudomonaden neben Signalmolekülen auch eine Vielzahl bioaktiver Verbindungen, wie zum Beispiel Biotenside, produzieren können. Diese tragen zur Nischenadaptation bei, wie etwa beim bakterielle Konkurrenzkampf oder der Assoziation mit bestimmten Pflanzen- und Tierwirten. Bakterien sind einem andauernden Kampf um Raum und Resourcen ausgesetzt weshalb sie unterschiedliche Strategien entwickelt haben um mit ihren Konkurrenten umzugehen. Phänotypische Merkmale wie Biofilmbildung, Zell-Zell- Kommunikation, Produktion von Sekundärmetaboliten und bakterielle Konkurrenz sind gewöhnlich mit der Lebensweise der Bakterien assoziiert. Das Studium dieser Phänotypen kann zum besseren Verständnis des Überlebenserfolgs in der Umwelt beitragen. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit war die Untersuchung i) der Verbindung zwischen QS und Biofilmbildung, ii) der Biotensidproduktion und iii) bakterieller Konkurrenz anhand des pflanzenwachstumsfördernden Modelorganismus Pseudomonas putida IsoF. Meine Arbeit zeigte, dass QS Signale (N-acyl-homoserine lactones, AHLs) stochastisch in den frühen Phasen von P. putida Biofilmen produziert werden und dabei hauptsächlich als selbst regulierende Signale wirken. Diese lösen asoziale Motilität in induzierten Zellen aus, welche daraufhin ihre Mikrokolonien verlassen. Diese Beobachtungen erweitern das Verständnis von QS indem gezeigt wird, dassAHLs die Expression von asozialen (selbst gerichtet) Merkmalen kontrolliert. Des Weiteren wird gezeigt, dass Heterogenität bei QS als Mechanismus zum Antrieb von phänotypischer Heterogenität in selbst gerichtetem Verhalten fungiert. Zusätzlich habe ich herausgefunden, dass zwei QS regulierte Loci für die Biosynthese der zyklischen lipopeptid-Biotenside, Putisolvin I und II verantwortlich sind. Einer der beiden Loci kodiert für die Fettsäure-CoA-Ligase PpuA, welche eine Hexansäurekette an die Peptid-Gruppe von Putisolvin anhängt, welche vom psoABC Operon synthetisiert wird. Schlussendlich habe ich noch herausgefunden, dass P. putida IsoF mehrere Proteobakterien mittels eines Typ 6 Sekretionssystems (T6SS) bekämpft. Dieser Antagonismus ist in Biofilmen mit gemischten Bakterienspezies besonders effektiv.
Cárcamo Oyarce, Gerardo