Reinhard Wirth

Prof. Dr. Reinhard Wirth
Universität Regensburg
Lehrstuhl für Mikrobiologie
Universitätsstraße 31
D - 93053 Regensburg

Reinhard.Wirth@ur.de

 

Unser Arbeitsgebiet: Zellanhänge und Zelloberflächen von Archaeen

Zellanhänge von Mikroorganismen können vielfältigen Funktionen dienen, wie der Fortbewegung (Flagellen) oder der Adhäsion (Fimbrien/Pili). Einige (aber durchaus nicht alle) Zellanhänge von Bakterien sind sehr gut untersucht; für das „Standard-Fortbewegungsorganell“, nämlich das Flagellum von Escherichia coli sind z.B. bekannt: die Struktur und die Synthese bis ins molekulare Detail, alle beteiligten Gene und deren hierarchische Regulation, die Funktion als Rotationsmotor, der Mechanismus der Reiz-Erkennung und –Verarbeitung, etc. Zumindest für 2 Adhäsionsstrukturen, die als Fimbrien (synonym zu Pili) bezeichnet werden, sind ebenfalls der Aufbau und die hierfür zugrunde liegende Synthesemaschinerie, etc bekannt.
Im Falle von Archaeen sind die entsprechenden Kenntnisse wesentlich geringer. So ist z.B. nur für Halobakterien nachgewiesen worden, dass deren Flagellen als Fortbewegungsorganelle rotieren. Zur Synthese archaeeller Flagellen gibt es nur die Hypothese, dass sie – im Gegensatz zu bakteriellen Flagellen – von der Basis her wachsen; über die Motorstruktur ist absolut nichts bekannt. Eine Vorstellung zur Synthese archaeller Flagellen ist in Abb. 1 gezeigt. Für archaeelle Zellanhänge, die als Fimbrien bezeichnet wurden, war seit 1979 nur die Existenz nachgewiesen; erste Daten zu ihrer Funktion und Zusammensetzung wurden 2008 von unserer Arbeitsgruppe und der von S.-V. Albers veröffentlicht. In unserer Arbeitsgruppe erforschen wir seit 2003 Zellanhänge von Archaeen systematisch, wobei wir uns zunächst auf wenige Arten konzentriert haben; die Arbeiten wurden durch ein gemeinsames DFG Projekt mit Prof. Dr. R. Rachel gefördert. Dabei interessieren wir uns insb. für die Struktur der Zellanhänge, ihre Funktion unter Laborbedingungen und im Biotop, ihre Biosynthese, etc. Es stellte sich heraus, dass wir in einigen Fällen neuartige Adhäsine identifiziert haben, die durchaus auch von technischem Interesse sein könnten.
Zelloberflächen von Archaeen sind deshalb sehr interessant, weil sie als äußerste Hülle den häufig extremophilen Mikroorganismen Schutz in ihrem Habitat bieten. Sie besitzen also häufig sehr ungewöhnliche Eigenschaften; viele Surface-Layer sind z.B. durch Kochen in 2% SDS nicht denaturierbar. Zelloberflächen-Substanzen erlauben Interaktionen mit biotischen und abiotischen Oberflächen – sie sind als Adhäsine wirksam. Über die Art der Moleküle (und deren Struktur) die archaeelle Zelloberflächen ausmachen, über ihre Synthese, den Einbaumechanismus in die Zellhülle, etc. ist bisher sehr wenig bekannt.

Schema zum Aufbau archaeller Flagellen
Abb. 1: Schema zum Aufbau archaeeller Flagellen [Jarrell & McBride (2008) Nat. Rev. Micro. 6:466-476]

Adhäsion von P. furiosus an ein Sandkorn aus dem natürlichen Habitat und gleichzeitige Ausbildung von Zell-Zell-Verbindungen mittels der Flagellen
Abb. 2: Adhäsion von P. furiosus an ein Sandkorn aus dem natürlichen Habitat und gleichzeitige Ausbildung von Zell-Zell-Verbindungen mittels der Flagellen

Fimbrien von Methanothermobacter thermoautotrophicus – Darstellung über Fluoreszenz-Färbung
Abb. 3: Fimbrien von Methanothermobacter thermoautotrophicus – Darstellung über Fluoreszenz-Färbung.

Ignicoccus hospitalis bildet lange „fibers“ aus – Aufwuchs auf Glimmer
Abb. 4: Ignicoccus hospitalis bildet lange „fibers“ aus – Aufwuchs auf Glimmer.

Flagellenbüschel von KIN24-T80
Abb .5: Flagellenbüschel von KIN24-T80.

Bi-Species-Biofilm aus Stäbchen-förmigen Methanospyrus kandleri und Kokken-förmigen Pyrococcus furiosus Zellen auf einer festen Unterlage
Abb. 6: Bi-Species-Biofilm aus Stäbchen-förmigen Methanopyrus kandleri und Kokken-förmigen Pyrococcus furiosus Zellen auf einer festen Unterlage.

Interaktionen von Pyrococcus furiosus mit Methanopyrus kandleri durch Flagellen und direkten Zell-Zell-Kontakt
Abb. 7: Interaktionen von Pyrococcus furiosus mit Methanopyrus kandleri durch Flagellen und direkten Zell-Zell-Kontakt
(Stäbchendurchmesser ca. 1 µm).

Floureszenzgefärbte Zellwand - Pyrocuccus furiosus
Abb. 8:Verteilung von Fluoreszenz-gefärbtem Zellwandmaterial in Pyrococcus furiosus nach Weiterzucht (Größenbalken 1 µm).

Floureszenzgefärbte Zellwand - Methanothermus sociabilis
Abb. 9:
Verteilung von Fluoreszenz-gefärbtem Zellwandmaterial in Methanothermus sociabilis nach Weiterzucht (Größenbalken 2 µm).

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Video 1: Schwimmen von Escherichia coli – ca. 45 µm/s = 20 bps

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Video 2: Schwimmen von Halobacterium salinarum – ca. 3 µm/s = 0,3 bps

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Video 3: Schwimmen von Pyrococcus furiosus – ca. 60 µm/s = 30 bps

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Video 4: Schwimmen von Methanocaldococcus jannaschii – ca. 400 µm/s = 300 bps

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Video 5: Schwimmen von Methanocaldococcus villosus – ca. 300 µm/s = 300 bps

 

 

Die Flagellen von Pyrococcus furiosus

Wesentliche Untersuchungen hierzu hat Daniela Näther in ihrer Doktorarbeit durchgeführt. Sie konnte zeigen, dass die Fortbewegungsorganelle dieses hyperthermophilen Archaeums nicht nur zum Schwimmen dienen; die Flagellen sind ca. 10 nm dick und werden bis zu 8 µm lang. Wie der Name „rasende Feuerkugel“ schon sagt, bewegen sich die Kokken sehr schnell – siehe unten „Das Schwimmverhalten von Archaeen“. D. Näther konnte beweisen, dass P. furiosus die Flagellen auch zur Festhaftung an verschiedene Oberflächen benutzt; zusätzlich können die Flagellen in Kabel-artigen Strukturen zusammengelagert werden, die dann zur Zell-Zell-Verbindung dienen. Im Rahmen dieser Untersuchungen (in Zusammenarbeit mit R. Rachel, Universität Regensburg und G. Wanner, Universität München) wurden auch ästhetisch sehr ansprechende Bilder erhalten, die z.B. im Oktober 2006 als Cover für J. Bacteriol. verwendet wurden (Abb. 2 – Adhäsion von P. furiosus an ein Sandkorn aus dem natürlichen Habitat und gleichzeitige Ausbildung von Zell-Zell-Verbindungen mittels der Flagellen). In weiteren, bisher unveröffentlichten, Untersuchungen konnte D. Näther die wesentlichen Transkripte im Flagellen-Operon definieren, wobei auch klar wurde, dass die veröffentlichte Genomsequenz im fraglichen Bereich größere Fehler enthält.

Beteiligte: Thomas Barth, Daniela Näther, Elke Papst, Prof. Dr. Reinhard Rachel, Simone Schopf, Prof. Dr. Gerhard Wanner, Nadin Wimmer

 

Zellanhänge von anderen Archaeen

Im Falle von Methanothermobacter thermoautotrophicus haben wir  gezeigt, dass dessen Fimbrien zur Adhäsion an verschiedene Oberflächen dienen. Das entsprechende Strukturgen wurde als mth60 identifiziert (im Genom als hypothetical protein nicht annotierbar); das Fimbrin konnte ursprünglich nur als Fusionsprotein exprimiert werden. Die Faden-förmigen Strukturen haben einen Durchmesser von ca. 5 nm und können über 10 µm lang sein. Abb. 3 zeigt eine Darstellung der Zellen und Fimbrien mittels eines Fluoreszenzfarbstoffes (Größenbalken 5 µm). Das mth60-Operon wird momentan von Christina Sarbu definiert und die Funktion der jeweiligen Proteine untersucht; ein in der Codon-Usage optimiertes „mth60-Kunstgen“ kann inzwischen zur Expression des Fimbrins in E. coli eingesetzt werden.
Für Ignicoccus hospitalis wurde eine neuartige Struktur identifiziert, die wir als Fibers bezeichnen. Dabei handelt es sich um bis zu 20 µm lange „Fäden“, die ca. 15 nm Durchmesser besitzen und ebenfalls wieder durch ein bisher nicht annotiertes Gen kodiert werden. Auch in diesem Fall scheint die wesentliche Funktion in der Adhäsion an Oberflächen zu bestehen. Abb. 4 zeigt Zellen mit Fibers auf Glimmer (Größenbalken 5 µm).

Methanococaldococcus villosus (Isolat KIN24-T80) wurde von Annett Bellack im Rahmen ihrer Diplomarbeit charakterisiert. Dieses Archaeum besitzt noch mehr Flagellen als P. furiosus; sie werden ebenfalls wieder zum Schwimmen, zur Adhäsion und zur Ausbildung von Zell-Zell-Verbindungen benutzt. Erste Untersuchungen weisen darauf hin, dass diese neue Art für funktionelle Untersuchungen archaeeller Flagellen besonders gut geeignet ist. Abb. 5 zeigt die Vielzahl der Flagellen von M. villosus (Größenbalken 1 µm); M. villosus ist auch wegen seiner extrem hohen Schwimmgeschwindigkeit sehr interessant.

Beteiligte: Annett Bellack, Monika Frank, Andrea Kopp, Daniel Müller, Elke Papst, Prof. Dr. Reinhard Rachel, Christina Sarbu, Simone Schopf, Christine Thoma, Prof. Dr. Gerhard Wanner

 

Interaktionen von Pyrococcus furiosus mit biotischen Oberflächen

Die von D. Näther erhaltenen Daten haben es nahe gelegt zu untersuchen, ob P. furiosus auch mit biotischen Oberflächen interagiert. Als ersten Ansatz haben wir hierzu Methanopyrus kandleri gewählt, ein Archaeum, das in ähnlichen Biotopen wie P. furiosus gefunden werden kann (Meerwasser, nahe am Siedepunkt, und anaerobe Bedingungen). Dabei hat Simone Schopf die Tatsache ausgenutzt, dass P. furiosus durch sein eigenes Gärungsprodukt H2 gehemmt wird, während M. kandleri für seinen Energie-Stoffwechsel, die Methanogenese, H2 verbraucht. In ihrer Diplomarbeit konnte sie durch Verwendung eines Mediums mit spezieller Gasphase eine stabile Kokultur der beiden Arten etablieren. Dabei zeigte sich, dass M. kandleri an Glas festhaftet, wozu P. furiosus alleine nicht in der Lage ist. P. furiosus kann allerdings an M. kandleri (und auch an Zellen der eigenen Art) anheften, sodass sich damit ein geschichteter Biofilm – häufig in einer Art „Spiegelei-Kolonie“ – ergibt (Abb. 6 – Spiegelei-Kolonie aus vielen Kokken von P. furiosus, die an Stäbchen-förmige M. kandleri Zellen binden). Interessanter Weise scheint P. furiosus an M. kandleri aber nicht nur über seine Zellanhänge zu haften, sondern auch eine direkte Zell-Zell-Verbindung zu etablieren (Abb. 7 – frühes Stadium der Interaktion zwischen 4 einzelnen P. furiosus Zellen mit einer M. kandleri Zelle). In ihrer Diplomarbeit hat Agnes Weiner gezeigt, dass auch andere methanogene Archaeen mit P. furiosus interagieren, wobei positive, neutrale und sogar negative Interaktionen zwischen den beteiligten Archaeen nachweisbar waren; auch die gebildeten Biofilme unterscheiden sich von den in Abb. 6 gezeigten.

Beteiligte: Daniela Näther, Prof. Dr. Reinhard Rachel, Simone Schopf, Prof. Dr. Gerhard Wanner, Agnes Weiner

 

Darstellung von Zelloberflächen und Zellanhängen von Archaeen mittels Fluoreszenzfarbstoffen

Seit 2003 haben wir systematisch untersucht, ob Zellanhänge von Archaeen mittels Fluoreszenzfarbstoffen gefärbt werden können. Dies würde verschiedene Untersuchungen der Flagellen (z.B. Bewegung über Rotation?) erlauben; bis heute sind von über 40 untersuchten Arten aber nur die Fimbrien von M. thermoautotrophicus anfärbbar. Da aber die Zellhülle jeweils gefärbt war konnte deren Synthesemechanismus untersucht werden. Durch Anzucht der Mikroorganismen, Anfärben der Zellen und weiteres Wachstum ohne Farbstoff wurde gezeigt, dass in archaeellen Kokken Zellwandmaterial im Bereich des Septums eingebaut wird, während in archaeellen Stäbchen ein gleichmäßiger Einbau über die Zell-Länge erfolgt. Diese Muster (siehe Abb. 8 und 9) wurden auch für Bakterien gefunden.

Beteiligte: Alle Labor-Mitglieder seit 2003

 

Das Schwimmverhalten von Archaeen

In seiner Diplomarbeit hat Bastian Herzog verschiedene „Modell“-Archaeen in Bezug auf ihr Schwimmverhalten charakterisiert. Hierzu kam das sog. Thermomikroskop zum Einsatz, das es uns ermöglicht, Zellen die in Glaskapillaren eingeschlossen sind bei bis zu 95° C unter anaeroben Bedingungen zu untersuchen. Als wesentliche Befunde seien genannt: 1) Die beiden untersuchten Methanocaldococcus-Arten M. jannaschii und M. villosus stellen die mit Abstand schnellsten Organismen auf der Erde dar, wenn die Geschwindigkeit in relativen Einheiten (bps = „bodies per second“) gemessen wird. M. villosus schwimmt mit bis zu 500 bps; zum Vergleich: ein Gepard jagt mit maximal 25 bps! (Die Angaben für die Videos beziehen sich auf Durchschnitts- nicht Maximal-Geschwindigkeiten). 2) In einigen Fällen konnten 2 unterschiedliche Bewegungsmuster beobachtet werden: zum Einen eine sog. relocate-Bewegung, die zum schnellen Überwinden großer Strecken dient; zum Anderen eine langsamere seek-Bewegung, die bei Kontakt mit einer Oberfläche auftritt, und dem Auffinden einer zum Festsetzen geeigneten Stelle dient.

Beteiligte: Bastian Herzog und Reinhard Wirth

 

Weitere Arbeitsgebiete:

Meine Gruppe ist aktiv im GEBA-Projekt (Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archaea) beteiligt; das Ziel dabei ist es, Genomsequenzen von Mikroorganismen zu erstellen die phylogenetisch interessant sind. Wir ziehen hierfür die entsprechenden Mikroorganismen an und isolieren die genomische DNA; seit 2010 sind bisher 9 Veröffentlichungen zur Gesamtgenomsequenz verschiedener Bakterien und Archaeen in Standards in Genomic Sciences erschienen. Es ist davon auszugehen, dass in Zukunft für eine gültige Beschreibung einer neuen Mikroorganismenart deren Genomsequenz hinterlegt werden muss – GEBA soll auch die Machbarkeit dieser Forderung erweisen.



Frühere Arbeitsgebiete

  Unsere Arbeiten vor 2003 beschäftigten sich mit:
    Der Möglichkeit des Gentransfers zwischen Archaeen und Bakterien (spezifisch Methanocaldococcus jannaschii und Thermotoga maritima) – gefördert durch Bayerische Forschungsstiftung Projekt 171/96.
    Bakterien aus marinen Makroorganismen als Produzenten biologisch aktiver Substanzen – gefördert durch BMBF Projekt: "Endo- und exozytische Mikroorganismen aus marinen Makroorganismen: Eine Quelle für biologisch aktive Naturstoffe".
    Spezifischen bakteriellen Pheromonen, nämlich den Sex Pheromonen von Enterococcus faecalis – gefördert durch DFG Projekt Wi 731/6-1 und 6-2




Mitarbeiter:

Laborfest August 2014


Prof. Dr. Reinhard Wirth Raum BIO 1.01.21 Tel.: +49 941 943 1825 Fax.: +49 941 943 1824
Dr. Annett Bellack Raum BIO 1.01.19 Tel.: +49 941 943 1828  
Elke Papst, Techn. Assistentin Raum BIO 1.01.19 Tel.: +49 941 943 1827  
Elisabeth Piechatchek Raum BIO 1.01.19 Tel.: +49 941 943 1827  
Matthias Ugele Raum BIO 1.01.19 Tel.: +49 941 943 1827  
       
     


Lehrveranstaltungen:

  # Grundkurs Mikrobiologie
# Praktikum Organismische Mikrobiologie I
# Praktikum Organismische Mikrobiologie II
# Schwerpunktpraktikum Mikrobiologie
# Forschungspraktikum Mikrobiologie
# Vorlesungen im 2-Jahres-Rythmus:
    mikrobielle Physiologie I
mikrobielle Physiologie II
bakterielle Pathogenitätsmechanismen
mikrobielle Interaktion


Sprechstunde für Prüfungsangelegenheiten:

Donnerstag von 10.30 bis 12:00 Uhr im Raum BIO 1.01.21.


Ausgewählte Veröffentlichungen:

Wirth, R., Muscholl, A., Wanner, G.: The role of pheromones in bacterial interactions. Trends Microbiol. 4:96-103 (1996)

Marcinek, H., Wirth, R., Muscholl, A., Gauer, M.: Enterococcus faecalis gene transfer under natural conditions in municipal sewage water treatment plants. Appl. Env. Microbiol. 64:626-632 (1998)

Wirth, R.: Sex pheromones and gene transfer in Enterococcus faecalis. Res. Microbiol. 151:493-496 (2000)

Siebert, K., M. Busl, I. Asmus, J. Freund, A. Muscholl-Silberhorn, and R. Wirth. Evaluation of Methods for Storage of Marine Macroorganisms with Optimal Recovery of Bacteria. Appl. Environ. Microbiol. 70 :5912-5915 (2004)

Näther, D.J.; R. Rachel, G. Wanner, and R. Wirth. 2006. Flagella of Pyrococcus furiosus: Multifunctional Organelles, Made for Swimming, Adhesion to Various Surfaces, and Cell-Cell Contacts. J. Bacteriol. 188:6915-6923 (2006)

Schopf, S., G. Wanner, R. Rachel, and R. Wirth. An archaeal bi- species biofilm formed by Pyrococcus furiosus and Methanopyrus kandleri. Arch. Microbiol. DOI 10.1007/s00203-008-0371-9 (2008)

Thoma, C., M. Frank, R. Rachel, S. Schmid, D. Näther, G. Wanner, and R. Wirth. Fimbriae of Methanothermobacter thermoautotrophicus are encoded by mth60: first characterization of an archaeal fimbrium. Env. Microbiol. accepted. (2008)

Müller, D., C. Meyer, S. Gürster, U. Küper, H. Huber, R. Rachel, G. Wanner, R. Wirth, and A. Bellack. The Iho670 fibers of Ignicoccus hospitalis: a new type of archaeal cell surface appendage. J. Bacteriol. 191:6465-6468 (2009)

Bellack, A., H. Huber, R. Rachel, G. Wanner, and R. Wirth. Methanocaldococcus villosus sp. nov., a heavily flagellated archaeon adhering to surfaces and forming cell-cell contacts. Int. J. of Syst. Evol. Microbiol. 61:1239-1245 (2011)

Wirth, R., A. Bellack, M. Bertl Y. Bilek, T. Heimerl, B. Herzog, M. Leisner, A. Probst, R. Rachel, C. Sarbu, S. Schopf, and G. Wanner. The Mode of Cell Wall Growth in Selected Archaea Follows the General Mode of Cell Wall Growth in Bacteria - An Analysis using Fluorescent Dyes. Appl. Environ. Microbiol. 77:1556-1562 (2011)

Lassak, K., T. Neiner, A. Ghosh, A. Klingl, R. Wirth, and S.-V. Albers. Molecular analysis of the crenarchaeal flagellum. Mol. Microbiol. 83:110-124 (2012)

Herzog, B, and R. Wirth. The Swimming Behavior of Selected Archaea. Appl. Environ. Microbiol. Accepted (2012)


 

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