E. coli Überlebensstrategien in stressigen Bedingungen

Jedes Jahr werden viele Leute krank durch kontaminierte Lebensmittel. Ein wichtiger Grund für lebensmittelbedingte Krankheiten ist ein Bakterium namens Escherichia coli, oder E. coli. Eine spezielle Art von E. coli kann zu ernsthaften Gesundheitsproblemen führen, und 2010 sind über 35.000 Menschen an Krankheiten gestorben, die mit diesem Bakterium zusammenhängen. Das Hauptproblem entsteht, wenn Pflanzen während ihres Wachstums oder ihrer Verarbeitung mit tierischen Abfällen kontaminiert werden. Das ist ein häufiges Problem bei Gemüse und Salat.

E. coli kann unter schwierigen Bedingungen überleben, einschliesslich niedrigem pH-Wert, was oft in Pflanzenumgebungen vorkommt. Dieser Stress kann aus verschiedenen Quellen kommen, wie Temperaturänderungen und Dürre. Daher ist es wichtig zu lernen, wie E. coli diesen stressigen Bedingungen standhält.

#E. coli und seine Schutzmassnahmen

E. coli hat einige Methoden entwickelt, um sich vor niedrigem pH-Wert zu schützen. Eine Möglichkeit, das zu tun, ist, seine Oberfläche mit Substanzen namens Polysacchariden zu bedecken. Diese Polysaccharide beinhalten O- und K-Antigene sowie ein weiteres Polysaccharid, das als Kolansäure bekannt ist. Kolansäure wird mehr produziert, wenn E. coli unter Stress steht. Das deutet darauf hin, dass Kolansäure E. coli hilft, unter verschiedenen schwierigen Bedingungen zu überleben. Zum Beispiel kann ein spezifischer Stamm von E. coli, der als EHEC bekannt ist, durch Veränderungen in den Genen, die für die Herstellung von Kolansäure verantwortlich sind, geschädigt werden.

Ein weiterer Typ von Polysaccharid, der auf der Oberfläche von E. coli vorhanden ist, wird als enterobakterielle gemeinsame Antigene (ECA) bezeichnet. Es gibt verschiedene Formen von ECA, die in verschiedenen Teilen der Zelle vorkommen, aber ihre vollständigen Rollen bei der Hilfe für das Bakterium, um zu überleben, sind noch nicht ganz klar.

In einer aktuellen Studie schauten Forscher sich an, wie E. coli-Stämme, die Probleme bei der Herstellung von ECA haben, auf niedrigem pH-Wert reagieren. Sie fanden heraus, dass ein Stamm, dem das wzxE-Gen fehlt, das für die ECA-Synthese entscheidend ist, Schwierigkeiten hatte, bei niedrigem pH zu wachsen. Dieses Gen ist verantwortlich für den Transport einer Form von ECA über die Zellmembran. Wenn das wzxE-Gen nicht richtig funktioniert, kann sich eine Form von ECA in der Zelle ansammeln, was schädlich sein kann. Allerdings konnte der wzxE-Knockout-Stamm diese toxische Ansammlung aufgrund anderer Prozesse, die Kolansäure betreffen, vermeiden.

#Experimentieren mit dem Wachstum von E. coli

In der Studie wurden verschiedene Arten von E. coli unter unterschiedlichen pH-Bedingungen getestet, um zu sehen, wie sie wachsen. Der Wildtyp-Stamm, also die normale Version von E. coli, wurde mit dem wzxE-Knockout-Stamm verglichen. Bei einem niedrigen pH von 5,5 zeigte der wzxE-Knockout-Stamm schlechteres Wachstum im Vergleich zum Wildtyp. Allerdings wuchs der wzxE-Knockout-Stamm genauso gut wie der Wildtyp, wenn die Umgebung neutral oder alkalisch war (pH 7,0 oder 8,5).

Ausserdem testeten sie den Knockout-Stamm in einem pflanzenbasierten Medium namens V8, das von Natur aus sauer ist. In diesem Medium zeigte der wzxE-Knockout-Stamm ebenfalls ein reduziertes Wachstum im Vergleich zum Wildtyp. Als ein genetisches Stück, das das wzxE-Gen enthielt, wieder zum Knockout-Stamm hinzugefügt wurde, konnte er wachsen, ohne die gleichen Wachstumsprobleme bei niedrigem pH aufzuweisen.

#Niedriger pH und Empfindlichkeit von Gemüse

Die Forscher wollten auch sehen, ob der wzxE-Knockout-Stamm empfindlich auf echte Gemüse reagiert. Sie bereiteten Extrakte von verschiedenen Gemüsesorten vor und fanden heraus, dass der Knockout-Stamm weniger lebensfähige Bakterien hatte im Vergleich zum Wildtyp, als er diesen Gemüseextrakten ausgesetzt war. Die Ergebnisse zeigten, dass der wzxE-Knockout-Stamm in realen Bedingungen mit Gemüse, besonders bei niedrigeren pH-Werten wie bei Kirschtomaten, mehr Schwierigkeiten hat.

Die Studie zeigte, dass die Empfindlichkeit des wzxE-Knockout-Stamms gegenüber niedrigem pH nicht nur auf synthetische Medien zutraf, sondern auch auf natürliche Gemüsebedingungen ausgedehnt war.

#Die Rolle von Lipid III ECA

Die Ansammlung bestimmter ECA-Formen, insbesondere Lipid III ECA, spielt eine entscheidende Rolle dafür, warum der wzxE-Knockout-Stamm empfindlich auf niedrigen pH-Wert reagiert. Wenn das wzxE-Gen ausgeschaltet ist, kann Lipid III ECA in den Bakterien ansammeln, was schädlich ist. Um das zu bestätigen, schufen die Forscher einen Doppel-Knockout-Stamm, dem auch das wecF-Gen fehlte. Dieses Gen ist wichtig für die Synthese von Lipid III ECA. Der Doppel-Knockout-Stamm zeigte ein besseres Wachstum im Vergleich zum wzxE-Knockout-Stamm unter niedrigen pH-Bedingungen, was darauf hindeutet, dass Lipid III ECA mit der Empfindlichkeit gegenüber niedrigem pH zusammenhängt.

#Untersuchung des Zelltods

In den Experimenten untersuchten die Forscher, was mit den E. coli-Zellen unter niedrigen pH-Bedingungen passierte. Sie behandelten sowohl den Wildtyp als auch den wzxE-Knockout-Stamm mit einer Lösung, die niedrige pH-Bedingungen simuliert. Überraschenderweise gab es, als die Bakterien nur mit niedrigem pH behandelt wurden, ohne zu wachsen, keinen signifikanten Unterschied in der Zellviabilität zwischen den beiden Stämmen. Allerdings zeigte der wzxE-Knockout-Stamm, wenn er unter den richtigen Bedingungen gezüchtet wurde, signifikant mehr tote Zellen im Vergleich zum Wildtyp.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der wzxE-Knockout-Stamm schädliche Substanzen ansammelt, die zum Zelltod führen, insbesondere unter niedrigen pH-Bedingungen, die Bakterienwachstum ermöglichen.

#Einfluss der Kolansäure

Die Forscher schauten sich auch an, wie sich das Blockieren der Kolansäure-Synthese auf die Empfindlichkeit gegenüber niedrigem pH auswirken würde. Sie schufen einen Doppel-Knockout-Stamm, der sowohl wzxE als auch das Gen, das für die Herstellung von Kolansäure verantwortlich ist, nicht hatte. Dieser Stamm zeigte nicht die gleiche Empfindlichkeit wie der wzxE-Knockout-Stamm, was darauf hindeutet, dass die Kolansäure-Synthese eine Rolle bei der niedrigen pH-Empfindlichkeit des wzxE-Knockout-Mutanten spielt.

Die Studie hob hervor, dass der wzxE-Knockout-Stamm bei niedrigem pH-Stress die Produktion von Kolansäure erhöht. Allerdings kann diese Erhöhung die Proteine besetzen, die für den Transport von Lipid III ECA verantwortlich sind, was zu einer toxischen Ansammlung dieser Substanz innerhalb der Zellen führt.

#Andere Stressfaktoren

Neben niedrigem pH testeten die Forscher auch, wie der wzxE-Knockout-Stamm auf andere Stressbedingungen reagierte, wie hohen Salzgehalt und niedrige Temperaturen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Knockout-Stamm auch empfindlich auf diese Stressfaktoren reagierte, was die Idee verstärkte, dass die Mechanismen hinter seiner Empfindlichkeit bei verschiedenen Herausforderungen konsistent waren.

Insbesondere hatte der wzxE-Knockout-Stamm bei niedrigeren Temperaturen mehr tote Bakterien als der Wildtyp. Das Gleiche galt unter hohen Salzbedingungen. Auch hier hingen diese Empfindlichkeiten von der Kolansäure-Produktion ab.

#Fazit

Die Studie zeigte, dass das wzxE-Gen entscheidend für E. Colis Fähigkeit ist, niedrigem pH, niedrigen Temperaturen und hohem osmotischen Druck zu widerstehen. Der wzxE-Knockout-Mutant war wesentlich anfälliger für diese Bedingungen. Die Abhängigkeit von den Prozessen, die mit Kolansäure und Lipid III ECA zusammenhängen, deutet darauf hin, dass die Zielgerichtetheit auf diese Wege neue Ansätze zur Bekämpfung von E. coli-bedingten lebensmittelbedingten Krankheiten bieten könnte.

Zu verstehen, wie E. coli unter Stress überlebt, hilft, mögliche Methoden zur Verhinderung von Kontaminationen in Nahrungsquellen zu entwickeln, insbesondere in Pflanzenumgebungen, wo diese Bakterien gedeihen. Die Ergebnisse weisen auf die Bedeutung der Anpassungsfähigkeit und Widerstandsfähigkeit von E. coli unter verschiedenen Bedingungen hin, was entscheidend für die Entwicklung effektiver Präventionsstrategien gegen lebensmittelbedingte Krankheiten ist.