Adaptionsmechanismen in Staphylococcus aureus : Einfluss von Zink auf die Entwicklung multipler Metalltoleranzen

Staphylococcus aureus ist aufgrund seiner wechselnden Habitate sich ändernden Umweltbedingungen und somit potentiellen Stressfaktoren ausgesetzt. Einen Stressor stellen Metalle dar, welche essentiell für das bakterielle Wachstum sind, in höheren Konzentrationen jedoch aufgrund ihrer hohen Reaktivität und daraus folgenden Mismetallationen toxisch wirken. Diese toxische Eigenschaft wird sich im klinischen Kontext und in der Tierzucht, aber auch in alltäglichen Gebrauchsprodukten der Allgemeinbevölkerung zunutze gemacht, indem erhöhte Metallkonzentrationen zur Verhinderung oder Bekämpfung bakterieller Infektionen eingesetzt werden.

Aufgrund des sehr frequentierten Gebrauchs sollten in dieser Arbeit die Adaptionsmechanismen von S. aureus an hohe Metallkonzentrationen untersucht werden. Klinische Isolate verschiedener klonaler Linien und ein Laborstamm wurden in Medien mit erhöhten Konzentrationen an Zink, Nickel, Mangan oder Cobalt angezogen, um spontan entstehende Genmutationen zu selektieren, welche zur Toleranz beitragen können. Der Vergleich der Genomsequenzen mit denen des Wildtyp ergab frequentiert Mutationen der Gene mgtE, spoVG und sigB. Da die Mutationen auf eine Inaktivität der Proteine schließen ließen, wurden die Gene im Laborstamm S. aureus USA300 LAC* vollständig deletiert und die Zinktoleranz der Deletionsstämme in Spot Plate Analysen bestimmt. Während die sigB-Deletion die Toleranz nicht beeinflusste, waren die ΔmgtE- und ΔspoVG-Mutanten toleranter gegenüber Zink als der Wildtyp. Eine Doppeldeletionsmutante von mgtE und spoVG wies additive Zinktoleranzen beider Deletionen auf, wodurch unabhängige Toleranzmechanismen gezeigt werden konnten. Darüber hinaus führten die Deletionen eines der beiden Gene zu erhöhten Toleranzen gegenüber Cobalt und Mangan. Die mgtE-Deletion resultierte ebenfalls in einer gesteigerten Nickeltoleranz. Um die Ursache der erhöhten Toleranz zu ermitteln, wurde die intrazelluläre Zinkkonzentration der ΔmgtE- und ΔspoVG-Mutanten mittels induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie bestimmt und in den Vergleich zum Wildtyp gesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die mgtE-Deletion zu einer verminderten Zinkaufnahme führt und MgtE somit neben anderen Metallen auch als Zink-Importer fungiert. Die Deletion von spoVG hingegen hatte keinen Einfluss auf die intrazelluläre Zinkkonzentration. Um den Grund der erhöhten Zinktoleranz durch die Inaktivität des transkriptionellen Regulators SpoVG zu ermitteln, wurde eine RNAseq durchgeführt. Diese sollte durch den Vergleich von Wildtyp und ΔspoVG-Mutante in Medium mit und ohne erhöhte Zinkkonzentration Aufschluss über alternative Regulationsprozesse geben, welche die Zinktoleranz der Mutante bedingen. Die Auswertung der RNAseq zeigte, dass sowohl die Deletion von spoVG als auch die Zugabe von Zink starke Auswirkungen auf die Gentranskriptionen hatten und verschiedene metabolische Prozesse beeinflussten. Somit war zu vermuten, dass auch die Zinktoleranz der Mutante auf ein Zusammenspiel verschiedener Stoffwechselwege zurückzuführen war. Besonders frequentiert waren die Transkriptionen von Genen verändert, welche in die Persistenz und Biofilmbildung, den Energiegewinn, die Virulenzfaktoren und die Proteinbiosynthese involviert sind. In weiteren Experimenten muss jedoch gezeigt werden, ob diese Prozesse tatsächlich einen Einfluss auf die Toleranz ausüben.

Insgesamt konnte in dieser Arbeit belegt werden, dass S. aureus über spontan entstehende Genmutationen viele verschiedene Möglichkeiten zur Adaption an erhöhte Metallkonzentrationen hat und diese Anpassungen frequentiert auftreten. Die Mutationen erlauben ein Persistieren durch veränderte Stoffwechselprozesse. Das verlängerte Überleben erhöht die Möglichkeit, Plasmide mit Resistenzgenen über den horizontalen Gentransfer aufzunehmen und so Resistenzen gegenüber höheren Metallkonzentrationen zu erwerben. Zusätzlich können auf diesen Plasmiden Gene vorliegen, welche Antibiotikaresistenzen vermitteln. Insgesamt konnte also mit den Ergebnissen dieser Arbeit ein Grundstein in der Erforschung der Metalltoleranzmechanismen von S. aureus gelegt werden, der letztlich das Bewusstsein für einen überlegten Umgang mit antimikrobiellen Substanzen schärfen soll, um Toleranz- und Resistenzentwicklungen zu vermeiden.