"Gated Junctions" in vielzelligen Cyanobakterien

01.01.2020 bis 29.02.2024

Die Zellen mehrzelliger Organismen müssen zu ihrer Koordination miteinander kommunizieren können. Unter Bakterien sind fädige Cyanobakterien die am höchsten organisierten Vielzeller, da sie aus hunderten miteinander verbundenen Zellen bestehen können. Bei der Art Anabaena sp. PCC 7120 bilden sich aus vegetativen Zellen in regelmäßigen Abständen Heterozysten, die der Stickstofffixierung dienen. Beiden Zelltypen kommt eine jeweils spezifische Funktion zu und sie sind als homeostatisches Netzwerk innerhalb des ganzen Filaments miteinander verbunden. Sowohl Molekültransport als auch Zell-Zellkommunikation erfolgen über das Septum der Nachbarzellen durch multimere Proteinstrukturen, die sogenannten „septal junctions“. In vorangegangen Arbeiten haben wir den sogenannten „nanopore array“ im Peptidoglycan der Septen identifiziert. Durch Elektronencryotomographie an ausgedünnten Filamenten („FIB-milling“) konnten wir die in situ Architektur der „septal junctions“ darstellen. Sie bestehen aus einer Röhre, die durch die Nanopore reicht, und an jedem Ende in der gegenüberliegenden Cytoplasmamembran mit einem „plug“ endet. Dieser ist auf der cytosolischen Seite von einer symmetrischen „cap“-Struktur überdeckt. Das FraD-Protein konnten wir als „plug“-Komponente identifizieren. Mit Wiedererlangen der Fluoreszenz nach Fotobleichen (FRAP) konnten wir zeigen, dass die Zell-Zell-Kommunikation bei Stress unterbleibt. Dies ging mit einer reversiblen Konformationsänderung, dem Schließen der „cap“-Struktur, einher.
In dem beantragten Projekt wollen wir unsere Untersuchungen dieser bakteriellen „gap junctions“ fortführen in enger Zusammenarbeit mit Martin Pilhofer von der ETH Zürich, der mittels Elektronencryotomographie die Struktur der Komplexe mit uns erforscht. Wir wollen die Proteinzusammensetzung und den Mechanismus dieser „gated channels“, die funktional den tierischen „gap junctions“ entsprechen, verstehen lernen.
Dazu werden wir zunächst die noch unbekannten Komponenten der SJ durch verschiedene Vorgehensweisen identifizieren und ihre Funktion durch Mutagenese, Proteinlokalisierung und physiologische/biochemische Studien untersuchen. Zusätzlich wollen wir die Bedeutung der „gated junctions“ für den Lebensstil als Vielzeller in einer veränderlichen Umgebung und bei Fressfeind-Attacken verstehen lernen.