Assoziation von Metabolismus und Virulenz im pathogenen Darmbakterium Clostridioides difficile

Der humanpathogene Krankenhauskeim C. difficile hat sich in den letzten Jahren zu einem der häufigsten Erreger nosokomialer und Antibiotika-assoziierter Darmerkrankungen entwickelt. Die Symptome variieren von leichtem Durchfall bis zu pseudomembranöser Kolitis. Nach heutigen Kenntnissen beruht die Infektion auf den Hauptvirulenzfaktoren Toxin A und B. In dieser Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen der Toxinproduktion und dem Metabolismus untersucht, um aufzudecken, welche Adaptionsstrategien auf ein verändertes Nährstoffangebot die Toxinproduktion beeinflussen. Die Supplementierung mit Cystein und L-Lactat zeigte im Stamm 630 delta erm eine reduzierte extrazelluläre Toxinkonzentration. Die Umsetzung von Cystein führte durch die Bildung von H2S zu einem Eisenmangel. Da Eisen in Form von Ferredoxin nicht für die Übertragung von Elektronen zur Verfügung stand, wurden viele Stoffwechselwege stark reduziert. Im Zentralstoffwechsel wurde die Reaktion der Milchsäuregärung erhöht und es wurden große Mengen L-Lactat sekretiert. Im Gegensatz dazu kam es bei einer Supplementierung mit L-Lactat zu einer Aufnahme des Lactats. Das Lactat wurde über eine über Elektronen-Bifurkation laufende Lactatdehydrogenase zu Pyruvat umgesetzt, wodurch das NAD+/NADH-Verhältnis reduziert wurde. Da die Toxine intrazellulär ähnliche Konzentrationen zeigten, könnte die Reduktion der extrazellulären Toxinkonzentration durch eine aus dem veränderten Redoxpotential resultierenden Konformationsänderung des Holins TcdE zustande kommen. Während eine hohe Glucosekonzentration aufgrund einer Kohlenstoff-Katabolitrepression im Stoffwechsel zu reduzierten extrazellulären Toxinkonzentrationen führte, zeigte eine moderate Glucosekonzentration erhöhte Toxinkonzentrationen. Dies beruhte auf einer höheren Umsetzung von Aminosäuren und einem reduzierten NAD+/NADH-Verhältnis. Die Zugabe von Mannose führte zu erhöhten extrazellulären Toxinkonzentrationen. Kultivierungen mit Mannose zeigten keine, für Kultivierungen mit Glucose nachgewiesene, Zellaggregation in der stationären Phase. Auf diese kann der Unterschied im sekretierten Toxin zurückgeführt werden. Die Abhängigkeit der Toxine von der Zellaggregation und von der Lactatkonzentration konnte auf weitere C. difficile-Isolate übertragen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Stoffwechsel und Toxinproduktion in C. difficile und bieten daher Ansätze für die Erforschung neuer therapeutischer Strategien.