TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Lehrstuhl für Mikrobielle Ökologie Biodiversität und enzymatisches Verderbspotential von Rohmilch-Mikrobiota Mario George Freiherr von Neubeck Vollständiger Abdruck der von der Fakultät „Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt“ der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Prof. Dr. Ulrich Kulozik Prüfer der Dissertation: 1. Prof. Dr. Siegfried Scherer 2. Prof. Dr. Rudi F. Vogel Die Dissertation wurde am 29.04.2019 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät „Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt“ am 19.09.2019 angenommen. INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS ....................................................................................................... I LISTE DER VORVERÖFFENTLICHUNGEN .................................................................. IV ZUSAMMENFASSUNG ........................................................................................................ V SUMMARY ........................................................................................................................... VII ABBILDUNGSVERZEICHNIS ........................................................................................ VIII TABELLENVERZEICHNIS ................................................................................................ XI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ....................................................................................... XIV 1 EINLEITUNG........................................................................................................... - 1 - 1.1 Mikrobielle Flora in Rohmilch und Milchhalbfabrikaten und ihre Enzyme ............. - 1 - 1.2 Aufbau und Regulation des apr-Operons der Gattung Pseudomonas....................... - 4 - 1.2.1 Aufbau des apr-Operons........................................................................................ - 4 - 1.2.2 Regulation des apr-Operons .................................................................................. - 6 - 1.3 Taxonomische Einordnung neuer Bakterienarten ..................................................... - 8 - Die Gattung Pseudomonas .............................................................................................. - 10 - 1.4 Zielsetzung der Arbeit ............................................................................................. - 12 - 2 MATERIAL UND METHODEN .......................................................................... - 13 - 2.1 Nährmedien und Lösungen ...................................................................................... - 13 - 2.2 Rohmilchproben, Milchhalbfabrikate, isolierte Mikroorganismen und Referenzstämme ................................................................................................................................. - 17 - 2.2.1 Isolierung von Mikroorganismen aus Rohmilchen und Milchhalbfabrikaten ..... - 19 - 2.2.2 Zur Beschreibung neuer Pseudomonas-Arten verwendete Referenzstämme ...... - 19 - 2.2.3 Zur Genomsequenzierung und Analyse des apr-Operons verwendete Pseudomonas- Stämme ................................................................................................................ - 20 - 2.3 Identifizierung von Mikroorganismen durch FTIR-Spektroskopie ......................... - 21 - 2.4 Charakterisierung von Mikroorganismen zur Auswahl geeigneter FTIR- Referenzdatenbanken .............................................................................................. - 23 - 2.5 Identifizierung repräsentativer Mikroorganismen mittels Gensequenzanalyse ...... - 25 - 2.6 Molekulargenetische Methoden .............................................................................. - 26 - 2.6.1 Isolierung RNA-freier, genomischer DNA.......................................................... - 26 - 2.6.2 Isolierung von Nukleinsäuren durch mechanische Zell-Lyse ............................. - 26 - 2.6.3 In-vitro-Amplifikation von DNA durch Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ...... - 27 - 2.6.4 Agarose-Gelelektrophorese ................................................................................. - 29 - I INHALTSVERZEICHNIS 2.6.5 Aufreinigung der PCR-Produkte ......................................................................... - 29 - 2.6.6 DNA-Sequenzierung von PCR-Produkten .......................................................... - 30 - 2.6.7 Genomsequenzierung .......................................................................................... - 30 - 2.7 Bioinformatische Methoden .................................................................................... - 34 - 2.7.1 Einzelgen-Sequenzanalyse .................................................................................. - 34 - 2.7.2 Phylogenetische Sequenzanalyse und Identifizierung potentiell unbekannter Gattungen und Arten............................................................................................ - 35 - 2.7.3 Bestimmung der durchschnittlichen Nukleotid-Übereinstimmung von Genomen untereinander (average nucleotide identity =ANI) .............................................. - 36 - 2.7.4 Vorhersage und Identifizierung von Genen in Genomen .................................... - 37 - 2.8 Charakterisierung neuer Pseudomonas-Arten ......................................................... - 39 - 2.8.1 Phänotypische Charakterisierungen .................................................................... - 39 - 2.8.2 Chemotaxonomische Charakterisierung .............................................................. - 41 - 2.8.3 Hinterlegung in öffentlichen Stammsammlungen ............................................... - 42 - 2.9 Konservierung der isolierten Mikroorganismen ...................................................... - 42 - 2.10 Agardiffusions-Tests zur Visualisierung lipolytischer und proteolytischer Enzyme . - 43 - 2.11 Statistik .................................................................................................................... - 44 - 3 ERGEBNISSE......................................................................................................... - 45 - 3.1 Mikrobielle Biodiversität in Rohmilchen und Milchhalbfabrikaten ....................... - 45 - 3.1.1 Gesamtkeimzahlen der Rohmilchen und Milchhalbfabrikate ............................. - 45 - 3.1.2 Biodiversitäts-Analyse der Rohmilchen und Milchhalbfabrikate ....................... - 49 - 3.2 Lipolytische und proteolytische Aktivität der repräsentativen Mikrobiota ............. - 69 - 3.3 Genetische Variabilität und Phylogenie des apr-Operons der Gattung Pseudomonas ... - 78 - 3.3.1 Untersuchung der genetischen Variabilität des apr-Operons .............................. - 81 - 3.3.2 Untersuchung der Phylogenie des apr-Operons .................................................. - 85 - 3.4 Beschreibung neuer Pseudomonas-Arten ................................................................ - 89 - 3.4.1 Genetische und phylogenetische Analysen ......................................................... - 90 - 3.4.2 Morphologische und physiologische Charakterisierung ................................... - 101 - 3.4.3 Chemotaxonomische Charakterisierung ............................................................ - 106 - 4 DISKUSSION ....................................................................................................... - 111 - 4.1 Biodiversität der Rohmilch- und Milchhalbfabrikat-Mikrobiota .......................... - 111 - 4.2 Lipolytische und proteolytische Aktivität der repräsentativen Mikrobiota ........... - 121 - II INHALTSVERZEICHNIS 4.3 Genetische Variabilität und Phylogenie des apr-Operons der Gattung Pseudomonas ... - 128 - 4.4 Beschreibung neuer Pseudomonas-Arten .............................................................. - 132 - 4.4.1 Neubeschreibung der Arten Pseudomonas helleri sp. nov. und Pseudomonas weihenstephanensis sp. nov. .............................................................................. - 132 - 4.4.2 Neubeschreibung der Arten Pseudomonas lactis sp. nov. und Pseudomonas paralactis sp. nov. ............................................................................................. - 136 - 5 SCHLUSSFOLGERUNG UND AUSBLICK ..................................................... - 142 - 6 ANHANG .............................................................................................................. - 144 - LITERATURVERZEICHNIS ........................................................................................ - 177 - DANKSAGUNG ............................................................................................................... - 202 - III LISTE DER VORVERÖFFENTLICHUNGEN LISTE DER VORVERÖFFENTLICHUNGEN Publikationen Teile der vorliegenden Dissertation wurden bereits vorab veröffentlicht: Schlussbericht zum AiF Projekt 16588 N – „Hitzestabile mikrobielle Enzyme in Rohstoffen zur Milchverarbeitung – Qualitätssicherung, Entwicklung eines Testsystems und technologische Optionen“ vom 15.10.2014. von Neubeck, M., Baur, C., Krewinkel, M., Stoeckel, M., Kranz, B., Stressler, T., Fischer, L., Hinrichs, J., Scherer, S. und Wenning, M. (2015). Biodiversity of refrigerated raw milk microbiota and their enzymatic spoilage potential. International Journal of Food Microbiology 211, 57-65. von Neubeck, M., Huptas, C., Gluck, C., Krewinkel, M., Stoeckel, M., Stressler,