Metabolome-based studies of virulence factors in Pseudomonas aeruginosa

Abstract

Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic pathogen and an important causative agent of potentially life-threatening nosocomial infections in predisposed patients. The Gram-negative bacterium produces a large and diverse repertoire of small-molecule secondary metabolites that serve as regulators and effectors of its virulence. In this study, a range of mass spectrometry-based bacterial metabolomics approaches was used to investigate these small-molecule virulence factors and their interplay with pseudomonal metabolism as well as with phenotypic traits related to virulence. The groundwork was laid by exploring the metabolite inventory of P. aeruginosa and improving the coverage of its metabolome by the application of a custom software named CluMSID, that clusters analytes based on similarities of their MS² spectra. CluMSID led to the annotation of, i.a., 27 novel members of the class of alkylquinolone quorum sensing signalling molecules, which represent crucial players in the highly complex network that regulates pseudomonal virulence. The tool was developed towards a versatile and user-friendly R package hosted on Bioconductor, whose functionalities and benefits are described in detail. The new findings on the alkylquinolone chemodiversity led to further studies with a mechanistic focus that probed the substrate specificity of the enzyme complex PqsBC. It was demonstrated that PqsBC accepts different medium-chain acyl-coenzyme A substrates for the condensation with 2-aminobenzoylacetate and thereby produces alkylquinolones with various side chain lengths, whose distribution is a function of substrate specificity and substrate availability. Moreover, it was shown that PqsBC also synthesises alkylquinolones with unsaturated side chains. The focus was further broadened from metabolite and pathway-centred questions to a more global perspective on pseudomonal virulence and metabolism, which directed attention at PrmC, an enzyme with a partially unknown function indispensable for in vivo virulence. An untargeted metabolomics experiment yielded insights into the role of PrmC and its influence on the pseudomonal endo- and exometabolome. Finally, clinical P. aeruginosa strains with different virulence phenotypes were examined by untargeted metabolomics in order to disclose metabolic variation and interconnections between virulence and metabolism. The analysis resulted in the discovery of a putative virulence biomarker and enabled the construction of a random forest classification model for certain virulence phenotypes based only on metabolomics data. In summary, this study demonstrated the potential of metabolomics for the investigation of P. aeruginosa virulence factors and thereby contributed towards the comprehension of the complex interplay of metabolism and virulence in this important pathogen.

Pseudomonas aeruginosa ist ein wichtiger opportunistischer Erreger potenziell lebensbedrohlicher nosokomialer Infektionen bei prädisponierten Patienten. Das Gram-negative Bakterium produziert ein vielfältiges Repertoire an niedermolekularen Sekundärmetaboliten, die als Regulatoren und Effektoren seiner Virulenz dienen. In dieser Studie wurde eine Reihe von Massenspektrometrie-basierten Ansätzen der bakteriellen Metabolomik verwendet, um diese niedermolekularen Virulenzfaktoren und ihre Wechselwirkungen mit dem pseudomonalen Metabolismus sowie mit virulenzassoziierten phänotypischen Merkmalen zu untersuchen. Die Grundlage bilden die Untersuchung des Metaboliteninventars von P. aeruginosa und die Verbesserung der analytischen Abdeckung des Metaboloms durch die Anwendung einer selbstentwickelten Software namens CluMSID, die MS²-Spektren nach Ähnlichkeit clustert. CluMSID führte zur Annotation von u.a. 27 neuen Mitgliedern der Klasse der Alkylchinolone, die als Quorum-Sensing-Signalmoleküle entscheidende Akteure im hochkomplexen Netzwerk der Virulenzregulation darstellen. Das Tool wurde zu einem R-Paket entwickelt, das auf Bioconductor verfügbar ist und dessen Funktionalitäten und Vorteile ausführlich beschrieben werden. Die neuen Erkenntnisse über die Chemodiversität der Alkylchinolone führten zu weiteren Studien mit mechanistischem Schwerpunkt, die die Substratspezifität des Enzymkomplexes PqsBC untersuchten. Es wurde nachgewiesen, dass PqsBC verschiedene mittelkettige Acyl-Coenzym-A-Substrate für die Kondensation mit 2-Aminobenzoylacetat akzeptiert und dadurch Alkylchinolone mit verschiedenen Seitenkettenlängen produziert, deren Verteilung eine Funktion der Substratspezifität und der Substratverfügbarkeit ist. Zudem konnte gezeigt werden, dass PqsBC auch Alkylchinolone mit ungesättigten Seitenketten synthetisiert. Im Weiteren wurde der Fokus von Metaboliten- und Stoffwechselweg-zentrierten Fragen hin zu einer globaleren Perspektive der pseudomonalen Virulenz und des Metabolismus erweitert, was die Aufmerksamkeit auf PrmC lenkte, ein Enzym mit teilweise unbekannter, für die in vivo-Virulenz unverzichtbarer Funktion. Ein globales Metabolomik-Experiment lieferte Einblicke in die Rolle von PrmC und seinen Einfluss auf das pseudomonale Endo- und Exometabolom. Schließlich wurden klinische P. aeruginosa-Stämme mit unterschiedlichen Virulenzphänotypen mittels ungerichteter Metabolomik untersucht, um metabolische Variationen und Zusammenhänge zwischen Virulenz und Metabolismus aufzudecken. Die Analyse resultierte in der Entdeckung eines putativen Virulenzbiomarkers und ermöglichte die Konstruktion eines Random-Forest-Klassifikationsmodells für bestimmte Virulenzphänotypen, das nur auf Metabolomik-Daten basiert. Zusammenfassend hat diese Studie das Potenzial der Metabolomik für die Untersuchung der Virulenzfaktoren von P. aeruginosa aufgezeigt und damit zum Verständnis des komplexen Zusammenspiels von Metabolismus und Virulenz bei diesem wichtigen Pathogen beigetragen.