Protein-based interactions in microbial communities: the roles of amyloids and antimicrobials

Abstract

Mikrobielle Gemeinschaften sind ubiquitär vorkommende Bewohner der natürlichen Welt. Die einzelnen Mitglieder haben unzählige dynamische und komplexe Beziehungen entwickelt, um ihr eigenes Überleben in diesen Gemeinschaften und Ökosystemen sicher zu stellen. Ob durch Bildung schützender Zusammenschlüsse, wie Amyloid-gestützte Biofilme, oder durch aktive Inhibierung von konkurrierenden Organismen, sekretierte Proteine spielen eine Schlüsselrolle in mikrobiellen Interaktionen. Dennoch sind die spezifischen Mechanismen dieser Protein-basierten Interaktionen oftmals noch ungeklärt. Albugo gehört zu den obligat biotrophen Pflanzenpathogenen aus dem Phylum der Eipilze und besitzt die Fähigkeit die mikrobielle Gemeinschaft in seiner Umgebung zu verändern. Da Albugo unter anderem durch Anpassungen an einen obligat biotrophischen Lebensstil einen großen Teil der biosynthetischen Aktivität, auf die freilebende verwandte Organismen angewiesen sind, aufgeben hat, beruht sein modifizierender Einfluss auf bestimmten Proteinen. Zunächst haben wir diese Proteine in einen evolutionären Kontext gesetzt, um den Zusammenhang zwischen Lebensstil und genomischen Merkmalen in Eipilzen zu untersuchen. Das Oomycota Phylum beinhaltet nicht nur Albugo sondern auch viele weitere Pathogene, divers in Lebensstil und Wirtsorganismus. Mittels Proteomics gefolgt von heterologen Expression, haben wir darüber hinaus einige der Mikrobiota-modifizierenden von Albugo produzierten Proteine identifiziert und funktionell sowie strukturell näher bestimmt. Unser Fokus lag dabei auf den potentiell antimikrobiellen und amyloiden Eigenschaften dieser Proteine. Antimikrobielle Proteine sind interessant, da sie eine aktive Rolle in antagonistischen Interaktionen spielen können und derzeit ein großer Bedarf an neuen und spezifischen Protein-basierten antimikrobiellen Wirkstoffen besteht, die dem Aufstieg multi-resistenter Keime entgegenwirken können. Bei der Untersuchung möglicher Wirkungsweisen der Proteine von Albugo konnten wir einen Zusammenhang zwischen antimikrobieller Aktivität und intrinsischer Unordnung und positiver Ladung beobachten. Während antimikrobielle Proteine schon lange positiv im Fokus der Wissenschaft stehen, gehört die Eigenschaft der amyloiden Faltung zu einer wichtigen dennoch unterschätzten Charakteristik vieler Proteine, die bedeutend für mikrobielle Interaktionen und relevant für das Überleben vieler Organismen ist. Da amyloide Proteine ursprünglich hauptsächlich mit menschlichen Krankheitsbildern in Verbindung gebracht wurden, ist ihre Erforschung historisch limitiert auf den medizinischen Bereich. Die aktuelle Literatur jedoch zeigt, dass amyloide Faltung omnipräsent in der mikrobiellen Welt verbreitet ist und zahlreiche funktionelle Rollen übernimmt, darunter Funktionen der Verteidugung durch antimikrobielle Wirkung. Da wir amyloide Proteine von Albugo als relevant für dessen Pathogenität identifizieren konnten, sprechen unsere Resultate für eine funktionelle Bedeutung dieser charakteristischen Faltung auch in dem bislang wenig untersuchten Phylum der Eipilze. Schlussendlich haben wir unsere Untersuchung der Amyloid-formender Eigenschaften auf das Phylum der Cyanobakterien erweitert und Proteine von Synechococcus elongatus analysiert, die während der Etablierungsphase von Biofilmen vermehrt exprimiert werden. Zusammengefasst haben wir Protein-basierte Mechanismen, insbesondere jene welche antimikrobielle und Amyloid-formende Proteine involvieren, untersucht und beschrieben. Diese Mechanismen sind funktionell relevant für komplexe mikrobielle Gemeinschaften in natürlichen Ökosystemen und betonen das Potential für mögliche biotechnologische Anwendungen und deuten zudem auf die vielen Mechanismen hin, die es noch zu entdecken gibt.

Microbial communities ubiquitously inhabit the natural world. Members of these have evolved countless dynamic and complex relationships to ensure their survival. Whether through formation of protective enclosures, such as biofilms held together by amyloids, or actively killing competitors as antimicrobials, secreted proteins play key roles in microbial interactions. However, much remains to be understood about the specific mechanisms of activity behind many of these interactions. The oomycetal pathogen Albugo is an obligate plant biotroph that strongly modifies its surrounding microbial community. It relies on specific proteins to exert its influence, as it has lost a large part of the biosynthetic power of free-living relatives, in part due to adaptation to an obligate biotrophic lifestyle. Firstly, we have put these proteins into an evolutionary context by studying the link between lifestyle and genome features in the oomycetes. This phylum comprises Albugo as well as other plant and animal pathogens with widely divergent lifestyles and hosts. Furthermore, through a proteomics approach followed by heterologous expression, we have pinpointed as well as functionally and structurally characterized a number of proteins from Albugo that we found to be influential in controlling the surrounding microbial community. In particular, we have focused on those with antimicrobial potential as well as the ability to form amyloids. The former are interesting due to their direct role in antagonistic interactions and the high demand for novel and highly specific peptide-based antimicrobial compounds which could aid against the rise of multidrug resistant microbes. When studying antimicrobial proteins in Albugo, we could relate their effects to intrinsic disorder and high positive charge. The amyloid fold, instead, is a prevalent and overlooked characteristic of many proteins relevant to microbial interactions and to survival in particular. Because of their original discovery as etiological agents of human pathology, their study has been historically confined to the medical field. Based on current literature, however, the amyloid fold is now known to be omnipresent in the natural microbial world where it plays varied functional roles, including defense through antimicrobial activity. The protein candidates we have described in Albugo support the presence of this characteristic fold and functional relevance in protists as well, since we found amyloids to be important for pathogenicity. Finally, we have explored the amyloid-forming characteristics of proteins released by a cyanobacterium, Synechococcus elongatus, which are upregulated during the biofilm establishment stage. On the whole, we have studied and described protein-based mechanisms relevant to complex microbial communities in natural ecosystems, focusing on amyloids and antimicrobials. These highlight the countless mechanisms that could be translated to biotechnological applications and the many that are yet to be discovered.