Glycerol Metabolism in Pseudomonas aeruginosa and its Link to Pathogenicity

Vatareck, Elisabeth, Vera, Milena

doi:10.24355/dbbs.084-202110041148-0

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Glycerol Metabolism in Pseudomonas aeruginosa and its Link to Pathogenicity

English
German

Multi-drug resistant bacterial pathogens are an emerging threat worldwide, particularly within clinical settings. One of the most frequent nosocomial pathogens is Pseudomonas aeruginosa. As an extremely versatile opportunist, it takes advantage of a large genetic pool and extraordinary metabolic flexibility, causing problematic infections in immunocompromised individuals. Especially cystic fibrosis patients, who suffer from a genetic disorder leading to a thick and sticky mucus layer specifically within the lung, are highly susceptible towards severe P. aeruginosa infections. It is crucial to gain profound insight into the bacterial pathogenic mechanisms in order to develop alternative treatment strategies against life-threatening acute and chronic infections.

The aim of this work was to identify highly variably expressed genes. Transcriptional variation could indicate bet-hedging mechanisms, which represent a crucial risk-spreading strategy allowing the pathogen to be prepared for a variety of stress factors and environments. The analysis of 334 transcriptomes enabled the detection of glpD as a gene with an outstanding expression variability. It was assumed that glpD as central glycerol metabolism gene plays a major role in P. aeruginosa’s survival strategies by a potential bet-hedging mechanism. Detailed investigations of the physiological effects by glp operon knockout mutants revealed that the glycerol metabolic pathway plays a significant role in carbon source dependent growth behavior and bacterial motility. Production of the important quorum sensing determinants c-di-GMP and pyocyanin was furthermore significantly affected. Strikingly, glpD was essential for host-pathogen interactions and pathogenicity as shown in two acute infection models.

These findings reveal the fundamental role of glpD expression variability and glycerol metabolism in virulence behavior in vivo and thus highlight the importance of the interdependency between phenotypic plasticity, nutrient availability and virulence. These insights can contribute to the discovery of novel strategies in order to target life-threatening P. aeruginosa infections in the future.

Multiresistente bakterielle Erreger stellen weltweit eine zunehmende Bedrohung dar, insbesondere im klinischen Umfeld. Einer der häufigsten nosokomialen Erreger ist Pseudomonas aeruginosa. Als extrem vielseitiger Opportunist nutzt er einen großen genetischen Pool und außergewöhnliche metabolische Flexibilität und verursacht problematische Infektionen bei immungeschwächten Personen. Insbesondere Mukoviszidose-Patienten, die an einer genetischen Störung leiden, welche zu einer dicken und klebrigen Schleimschicht speziell in der Lunge führt, sind sehr anfällig für schwere P. aeruginosa-Infektionen. Es ist von entscheidender Bedeutung, tiefe Einblicke in die bakteriellen Pathogenitätsmechanismen zu gewinnen, um alternative Behandlungsstrategien gegen lebensbedrohliche akute und chronische Infektionen zu entwickeln.

Das Ziel dieser Arbeit war es, hoch variabel exprimierte Gene zu identifizieren. Transkriptionelle Variation könnte auf Bet-Hedging-Mechanismen hinweisen, die eine entscheidende Risikostrategie darstellen, welche es dem Erreger ermöglicht, sich auf verschiedene Stressfaktoren und Umgebungen einzustellen. Die Analyse von 334 Transkriptomen ermöglichte den Nachweis von glpD als Gen mit herausragender Expressionsvariabilität. Es wurde vermutet, dass glpD als zentrales Glycerol-Stoffwechsel-Gen eine wichtige Rolle in den Überlebensstrategien von P. aeruginosa durch einen möglichen Bet-Hedging-Mechanismus spielt. Detaillierte Untersuchungen der physiologischen Effekte durch glp-Operon-Knockout-Mutanten ergaben, dass der Glycerol-Stoffwechselweg eine bedeutende Rolle im kohlenstoffquellenabhängigen Wachstumsverhalten und der bakteriellen Motilität spielt. Darüber hinaus war die Produktion der wichtigen Quorum-Sensing-Determinanten c-di-GMP und Pyocyanin signifikant beeinträchtigt. Auffallend ist, dass glpD essentiell für Wirt-Pathogen-Interaktionen und Pathogenität war, wie in zwei akuten Infektionsmodellen gezeigt wurde.

Diese Befunde zeigen die fundamentale Rolle der glpD-Expressionsvariabilität und des Glycerol-Stoffwechsels für das Virulenzverhalten in vivo und unterstreichen damit die Bedeutung des Zusammenhangs zwischen phänotypischer Plastizität, Nährstoffverfügbarkeit und Virulenz. Diese Erkenntnisse können zur Entdeckung neuartiger Strategien beitragen, um lebensbedrohliche P. aeruginosa-Infektionen in Zukunft gezielt zu bekämpfen.