Lipidomic and structural characterization of the cell wall of Streptococcus pneumoniae

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2025-05-13

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Zusammenfassung

Streptococcus pneumoniae (Spn) is a Gram-positive bacterium that naturally colonizes various niches within the human body, but can also lead to infections with varying degrees of symptoms. Despite the availability of vaccines, Spn infections remain a significant health concern, exacerbated by the rising threat of antibiotic resistance. This growing challenge underscores the urgent need to explore new drug targets that are common across different strains. A particularly promising target is the pneumococcal cell wall, which has become a central point of structure-focused research. The cellular membrane, a key component of this wall, plays a crucial role in host-pathogen interactions. Nevertheless, the precise quantities of its components are still not well understood. This thesis presents a first-of-its-kind quantitative analysis of the pneumococcal lipidome, conducted in close collaboration with the group of Prof. Dr. Sven Hammerschmidt from the University of Greifswald. The implementation of a standardized pipeline applicable for in-depth microbial lipidomics on pneumococcal samples is described. Further, I examined how the knockout of selected genes influenced the membrane lipid composition. As a proof of concept, the wild-type serotype 2 strain S. pneumoniae D39 was compared to three mutant strains with single gene knockouts. The targeted mutant strains investigated here are: 1) tacL: TacL is responsible for the attachment of the polymeric teichoic acid chain on the glycolipid anchor, thus forming the lipoteichoic acid (LTA); 2) lgt: Lgt (diacylglyceryl transferase) catalyzes the diacylation of preprolipoproteins via a thioester bond by transferring a diacylglycerol moiety from a phosphatidylglycerol (PG) precursor; 3) cps: enzymes of the cps cluster are responsible for capsule polysaccharide formation. To date, such quantitative lipidome studies have not been performed for Spn. Methodically, shotgun lipidomics was employed and the development of a customized mix of internal standards ensured accurate quantitative analysis. The analysis allowed quantification of more than 100 lipids across the following six classes: diacylglycerol, glucosyldiacylglycerol (GlcDAG), galactosylglucosyldiacylglycerol (GalGlcDAG), cardiolipin, phosphatidylcholine and PG, with GlcDAG and GalGlcDAG being the predominant classes. Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) and Thin Layer Chromatography in conjunction with high-resolution tandem mass spectrometry were further utilized for the validation of identified lipid species. The lipid composition of tacL and lgt strains showed no significant changes compared to the wild type, while the non-encapsulated strain exhibited significant adaptations. Another aim of this thesis was to optimize a GC-MS method for the accurate quantification of pneumococcal wall glycopolymers, particularly wall teichoic acid and lipoteichoic acid. This is a challenging task for researchers in the field since decades. This quantification technique is anticipated to provide a basis for studying enzymes that affect teichoic acid levels without using radioactive materials in cultures and may also be used for capsule polysaccharide quantification, advancing our understanding of pneumococcal cell wall regulation. Preliminary results from this optimized method have already provided insights into how LytR, which plays an essential role in attaching the wall teichoic acid to the peptidoglycan, influences the teichoic acids ratio. In summary, a robust quantitative method for lipidome analysis has been established, along with a developed method which delivered the first successful proof of concept for teichoic acids quantification in Spn. These approaches enable future investigations into membrane homeostasis and biosynthesis regulation in other mutants or under various growth conditions.

Beschreibung

Streptococcus pneumoniae (Spn) ist ein Gram-positives Bakterium, das natürlicherweise verschiedene Bereiche des menschlichen Körpers besiedelt, aber auch Infektionen mit unterschiedlichen Symptomen verursachen kann. Trotz der Verfügbarkeit von Impfstoffen stellen Spn-Infektionen nach wie vor ein erhebliches Gesundheitsproblem dar, das durch das zunehmende Risiko einer Antibiotikaresistenzen verschärft wird. Diese wachsende Herausforderung unterstreicht die dringende Notwendigkeit, neue Wirkstoffziele zu erforschen, die bei verschiedenen Stämmen gleich sind. Ein besonders viel versprechendes Ziel ist die Pneumokokken-Zellwand, die zu einem Schwerpunkt der strukturorientierten Forschung geworden ist. Die Zellmembran, eine Hauptkomponente dieser Zellwand, ist für die Interaktion zwischen Wirt und Erreger von entscheidender Bedeutung. Über die Zusammensetzung der Zellmembran ist jedoch im Hinblick auf die Menge der verschiedenen Moleküle noch wenig bekannt. Diese Arbeit beschreibt die erste quantitative Analyse des Pneumokokken-Lipidoms, die in enger Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Dr. Sven Hammerschmidt von der Universität Greifswald durchgeführt wurde. Die Implementierung einer standardisierten Methode für umfassende mikrobielle Lipidom-Analysen an Pneumokokken-Proben wird dargelegt. Außerdem habe ich untersucht, wie der Knock-out ausgewählter Gene die Zusammensetzung der Membranlipide beeinflusst. Zur Überprüfung des Konzepts wurde der Serotyp 2-Wildtyp-Stamm S. pneumoniae D39 mit drei genetisch modifizierten Stämme, in denen jeweils ein Gen gezielt deletiert wurde, verglichen. Die hier untersuchten genetisch modifizierten Stämme sind: 1) tacL: TacL ist verantwortlich für die Anheftung der polymeren Teichonsäurekette an den Glykolipidanker und bildet somit die endgültige Li-poteichonsäure (LTA); 2) lgt: Lgt (Diacylglyceryltransferase) katalysiert die Diacylierung von Preprolipoproteinen über eine Thioesterbindung durch Übertragen eines Diacylglycerols von einem Phosphatidylglycerol (PG) als Ausgangsmolekül; 3) cps: Enzyme des cps-Clusters sind für die Bildung der Kapsel-Polysaccharide verantwortlich. Bisher sind derartige quantitative Lipidomics-Studien an Spn nicht durchgeführt worden. Als Methode wurde Shotgun Lipidomics eingesetzt, und durch Entwicklung eines maßgeschneiderten Mixes interner Standards konnte eine präzise quantitative Analyse durchgeführt werden. Die Analyse ermöglichte die Quantifizierung von mehr als 100 Lipiden aus den folgenden sechs Klassen: Diacylglycerol, Glukosyldiacylglycerol (GlcDAG), Galaktosylglucosyldiacylglycerol (GalGlcDAG), Cardiolipin, Phosphatidylcholin und PG, wobei GlcDAG und GalGlcDAG die hauptsächlich vorkommenden Molekülklassen sind. Gas Chromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) und Dünnschichtchromatographie in Verbindung mit hochauflösender Tandem-Massenspektrometrie wurden darüber hinaus zur Validierung der identifizierten Lipid-Spezies verwendet. Die

Schlagwörter

Streptococcus pneumoniae (Spn), quantitative analysis of the pneumococcal lipidome

Zitierform

Institut/Klinik

Forschungszentrum Borstel, Leibniz Lungenzentrum

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