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Humboldt-Universität zu Berlin - Mikrobiologie

Faculty of Biology - Department of Microbiology

 

Prof. Dr. Regine Hengge


 

 Address      Philippstraße 11-13,
                    10115 Berlin

 
 Telephone  +49 30 209349686

 Fax             +49 30 209349681
 
 Email          Regine.Hengge@hu-berlin.de
Prof. Hengge
Abb.: Regine Hengge

 

 


Signal Transduction and Regulatory Networks in Bacteria:

Cyclic-di-GMP Signaling in Bacterial Biofilm Formation and Stress Responses

 

In order to grow and survive in variable and often hostile environments, bacteria have evolved amazing adaptation mechanisms. These include complex stress responses and biofilm formation.

Biofilms are multicellular aggregates embedded in a self-produced matrix that confers protection, tissue-like properties and intriguing morphology, e.g. when grown as macrocolonies on agar plates. At the supracellular level, biofilms exhibit a complex microarchitecture based on differential gene expression in distinct zones and layers. Biofilms cause serious biomedical and technological problems, because within these structured aggregates bacteria are resistent to antibiotics, disinfectants and attacks by the immune system.

Research in the Hengge group focusses on the signal transduction pathways and regulatory networks that underlie biofilm growth, microarchitecture and macromorphology in the model organism Escherichia coli, which includes commensals as well as important pathogens, such as the Shiga toxin-producing recent German outbreak strain O104:H4.

Special emphasis lies on the role of the biofilm-promoting bacterial second messenger cyclic-di-GMP, which is produced and degraded by diguanylate cyclases (GGDEF domain proteins) and specific phosphodiesterases (EAL domain proteins), respectively.

The goal is to elucidate the regulation, function, cooperation and targets of the 29 GGDEF/EAL domain proteins of E. coli and their c-di-GMP-binding effector components during the entire series of molecular events that generate a highly structured biofilm. As cyclic-di-GMP is used by most bacteria, understanding its production and mode of action holds promise for the development of anti-biofilm drugs.

 

Abb.: Regine Hengge

 

Signaltransduktion und Regulatorische Netzwerke in Bakterien:

Das Signalmolekül c-di-GMP und Stressantworten bei der bakteriellen Biofilmbildung

 

Bakterien können in sehr veränderlichen und oft sehr lebensfeindlichen Umgebungen überleben, da sie im Laufe der Evolution ganz erstaunliche Anpassungsmechanismen entwickelt haben. Zu diesen gehören komplexe Stressantworten und die Bildung von Biofilmen. Letztere sind vielzellige Aggregate, die in einer selbstproduzierten Matrix eingebettet sind, die Schutz gewährt, gewebeähnliche Eigenschaften verleiht und bei Makrokolonie-Biofilmen auf Agarplatten zu einer erstaunlich vielfältigen Morphologie führt. Auf suprazellulärer Ebene zeigen Biofilme eine komplexe Mikroarchitektur, die auf unterschiedlicher Genexpression in verschiedenen Zonen und Schichten beruht. Biofilme verursachen schwerwiegende medizinische und technische Probleme, da Bakterien in Biofilmen resistent gegen Antibiotika, Desinfektionsmittel und die Attacken des Immunsystems sind.

In der Gruppe von Prof. Hengge werden die genetischen Mechanismen und komplexen regulatorischen Netzwerke erforscht, die dem Wachstum von Biofilmen under deren Mikroarchitektur und Makromorphologie zu Grunde liegen. Als Modell dient dabei Escherichia coli, das einerseits ein harmloser Darmbewohner ist, andererseits aber auch in wichtigen pathogenen Varianten wie dem Shigatoxin-produzierenden deutschen Ausbruchsstamm von 2011, EHEC O104:H4, vorkommt. Insbesondere geht es um die Rolle des Biofilm-Signalmolküls c-di-GMP, einem biofilmstimulierenden sekundären Botenstoff, der von Diguanylatzyclasen (mit GGDEF-Domänen) synthetisiert und von speziellen Phosphodiesterase (mit EAL-Domänen) abgebaut wird. Ziel der Forschungsarbeiten ist es die Regulation, Funktion, Kooperation und Zielorte aller 29 GGDEF/EAL-Domänenproteine sowie deren c-di-GMP-bindenden Effektorkomponenten während der ganzen Reihe von molekularen und zellulären Prozessen der Biofilmentstehung in E. coli aufzuklären. Da c-di-GMP in fast allen Bakterien vorkommt, stellen die Mechanismen seiner Produktion und Wirkungsweise auch vielversprechende Angriffspunkte für die Entwicklung neuer Antibiofilmwirkstoffe dar.