Molekulare Analysen der Wirkung von Anthocyanen und antimikrobiellen Peptiden aus Insekten auf das Wachstum von Listeria monocytogenes und pathogenen Escherichia coli

Abstract

Aufgrund der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen bei pathogenen Mikroorganismen über vertikalen und horizontalen Gentransfer ist die Suche nach neuen Antiinfektiva ein bedeutsames Forschungsfeld. Gegenstand dieser Untersuchung sind Naturstoffe wie Anthocyane aus Beerenextrakten, denen gesundheitsfördernde, antioxidative Eigenschaften zugeschrieben werden, und antimikrobiellen Peptiden (AMP) aus Insekten. Anthocyan-haltige Beerenextrakte und AMP wurden in vitro im Mikrotiterplatten-Screening getestet. Das Traubenextrakt Dakapo zeigte einen inhibitorischen Effekt auf das Wachstum von L. monocytogenes, Enterococci und einen wachstumsinduzierenden Effekt auf Vertreter der Familie Enterobacteriacea wie E. coli. Die Insekten-AMP wirkten gegenüber Gram-negativen, multiresistenten Bakterien wie E. coli und K. pneumoniae (insbes. Stomoxyn von Stomoxys calcitrans), während Defensin Tca1 aus Tribolium castaneum das Wachstum der Gram-positiven Bakterien L. monocytogenes und MRSA hemmte. Infektionsversuche mit Larven der Großen Wachsmotte Galleria mellonella bestätigten die Wirkungen der Anthocyane bzw. der AMP in vivo. Die Injektion von Dakapo in Kombination mit E. coli und K. pneumoniae führte zu einer geringeren Überlebensrate der Larven, da Dakapo das Bakterienwachstum förderte. Gegen L. monocytogenes und E. faecalis hatte das Traubenextrakt einen Schutzeffekt. Die getesteten AMP hatten eine protektive Wirkung gegenüber multiresistenten Bakterien in G. mellonella, denn nach Injektion der Pathogene in Kombination mit wirksamen AMP überlebten die Larven, während die nicht AMP-behandelten, infizierten starben. Mittels Transkriptomanalysen wurden Wirkmechanismen aufgeschlüsselt, die den anti- (L. monocytogenes) bzw. promikrobiellen (EAHEC) Effekten von Dakapo zugrunde liegen. Bei EAHEC zeigte sich eine enorme Regulierung der Eisenhomöostase mit Induktion verschiedener Siderophore, Runterregulierung des Eisendicitrattransportsystems und Eisenspeicherproteinen. In L. monocytogenes deutete die Hochregulierung von beta-Glukosidasen, des Eisenspeicherproteins Fri und Stressfaktoren auf oxidativen Stress durch die Metabolisierung der Anthocyane hin. Dakapo verstärkte die Wirkung von verschiedenen Antibiotika gegen L. monocytogenes, was für einen möglichen Therapieeinsatz von Anthocyanen als Adjuvantia in der Humanmedizin oder als Zusatz in Lebensmitteln zur Prävention einer Listeriose spricht. Die Suche nach neuen Antiinfektiva ist komplex, da Substanzen wie das Traubenextrakt Dakapo, die auf einige Krankheitserreger hemmend wirken (L. monocytogenes), gleichzeitig andere Pathogene durch die antioxidativen Eigenschaften der Anthocyane und Erhöhung der Serumresistenz im Wachstum fördern (EAHEC). The expansion of antibiotic resistances in pathogenic microorganisms due to vertical and horizontal gene transfers lead to research activities for new anti-infectives. The purpose of this research is to examine natural substances for example secondary plant metabolites such as anthocyanins with health promoting, antioxidative properties and antimicrobial peptides (AMPs) derived from insects. In vitro, the anthocyanins-containing berry extracts and AMPs were tested in microtiterplates. The grape extract Dakapo has an inhibitory effect on the growth of L. monocytogenes, Enterococci and a growth inducing effect on representatives of the Enterobacteriacea family such as E. coli. The insect AMPs are effective against gram-negative, multiresistant bacteria e.g. E. coli and K. pneumoniae (especially Stomoxyn from Stomoxys calcitrans). The Defensin Tca1 from Tribolium castaneum inhibits the growth of the gram-positive bacteria L. monocytogenes and MRSA. The effects of anthocyanins and AMPs are confirmed in vivo in larvae of the Greater wax moth Galleria mellonella. Injection with Dakapo in combination with E. coli and K. pneumoniae reduces the survival rate due to the bacterial growth induced by Dakapo. The grape extract has a protecting effect against L. monocytogenes and E. faecalis. In G. mellonella the AMPs have proved to be effecient against multiresistant bacteria. After being injected with pathogens in combination with active AMPs, all larvae survived whereas the larvae not treated with AMP died. Using transcriptomic analysis, information was determined on the mechanisms lying behind the antimicrobial (L. monocytogenes) and promicrobial (EAHEC) effects of Dakapo. In EAHEC, the iron homeostasis is strongly regulated by the induction of different siderophores and the inhibition of iron(III)dicitrate transport systems and iron storage proteins. In L. monocytogenes, anthocyanins cause oxidative stress indicated by the up regulation of beta-glucosidases, iron storage protein Fri and stress factors. Dakapo-treatment potentiates the effect of different antibiotics against L. monocytogenes. Therefore, anthocyanins can be used as adjuvants in human medicine or as food additives for prevention of listeriosis. The search for new antiinfectives is complex and the effects have to be considered in a differentiating manner. Substances such as the grape extract Dakapo inhibit the growth of some pathogens (L. monocytogenes) but contemporaneously due to antioxidative properties of anthocyanins and increased serum resistance induce growth of other disease causing microogranisms (EAHEC).