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Forschungsschwerpunkte

Biosynthese von Lichtsammelpigmenten in Cyanobakterien, Cyanophagen und einzelligen Algen (Cryptophyten)

Cyanobakterien und Rotalgen besitzen stark gefärbte Lichsammelkomplexe, die Phycobilisomen (obere Abbildung). Diese enthalten pigmentierte Proteine, v. a. das blaue Phycocyanin (PC) und das rote Phycoerythrin (PE). Die rote Färbung des PEs geht auf die Absorptionseigenschaften seines Chromophors, des Phycoerythrobilins (PEB), zurück. Die Biosynthese des PEBs verläuft über die Spaltung von Häm zu dem ersten offenkettigen Tetrapyrrol Biliverdin (BV). In Cyanobakterien wird das grüne BV durch die zwei Enzyme PebA und PebB zu PEB reduziert (untere Abbildung). Das lila Intermediat Dihydrobiliverdin (DHBV) wird dabei von PebA auf PebB übertragen. In einigen Phagen, welche Cyanobakterien infizieren, konnte jedoch das Enzym PebS identifiziert werden, welches die Funktion von PebA und PebB vereint und BV zu PEB umsetzt. In unserem Labor interessieren wir uns für den der PEB-Biosynthese zugrunde liegenden Reaktionsmechanismus und die für die spezifischen Enzymaktivitäten erforderlichen strukturellen Eigenschaften. Darüber hinaus untersuchen wir den bislang ungeklärten Biosyntheseweg der mitunter außergewöhnlichen Chromophore in Cryptophyten, einzelligen, eukaryotischen Algen, die hoch spezialisierte Phycobiliproteine zur Lichternte nutzen.

 

Assemblierung von lichtsammelnden Phycobiliproteinen in Cyanobakterien und einzelligen Algen (Cryptophyten)

Phycobiliproteine dienen in Cyanobakterien, Rhodophyten und Cryptophyten der Lichtsammlung während der Photosynthese. Die Licht-absorbierenden Eigenschaften und brillianten Farben dieser Proteine gehen auf kovalent gebundene lineare Tetrapyrrole, so genannte Biline, zurück. Die Anlagerung der Biline an die Phycobiliproteine wird von Phycobiliprotein Lyasen vermittelt (links). Phycobiliprotein Lyasen sind in der Lage Biline (rechts, pinke Eppi) stabil zu binden, wobei das Absorptionsverhalten des Chromophors stark beeinflusst wird (rechts, blaue Eppi). Die korrekte Bindung des Bilins ans Phycobiliprotein wird vermutlich durch die Chaperon-artige Konformationskontrolle des Bilins durch die Lyase gewährleistet. Zusätzlich sind einige Lyasen in der Lage Biline während der Anlagerung an das Phycobiliprotein zu isomerisieren und so neue Pigmente zu generieren. Wir interessieren uns für die biochemische Charakterisierung von Phycobiliprotein Lyasen aus dem ungewöhnlichen Cyanobakterium Prochlorococcus marinus, aus Cryptophyten und Cyanophagen.

 

Sensorproteine in Bakterien und Archaea

Zwei-Komponenten-Systeme

Zwei-Komponenten-Systeme haben ihren Ursprung in Bakterien und setzten sich aus einer Sensorkinase und einem Antwortregulator zusammen. In methanogenen Archaeen wie Methanosarcina acetivorans ist bislang noch nicht viel über sie bekannt. Das Protein MsmS ist eins der ersten Beispiele für Sensorkinasen in Archaeen und besteht aus je zwei alternierenden PAS- und GAF-Domänen und einer C-terminalen ATPase-Domäne. Es konnte gezeigt werden, dass die zweite GAF-Domäne einen Hämcofaktor kovalent bindet, dessen Redoxzustand die angelagerte Kinasedomäne steuert. Das Gen msmS wird stromaufwärts von dem Regulatorprotein MsrG kodiert. Es wird vermutet, dass die beiden Proteine ein Zwei-Komponenten-System bilden. Ein zu MsmS in der Domänenstruktur und Funktion ähnliches Protein ist die Sensorkinase MA0863. Diese Sensorkinase ist ebenfalls stromaufwärts von einem Regulatorprotein lokalisiert. Daher wird auch für MA0863 vermutet, dass es ein Zwei-Komponenten-System mit MsrH bildet.

In diesem Projekt untersuchen wir die intramolekulare Signalweiterleitung innerhalb von MsmS und MA0863 sowie die darauffolgende intermolekulare Interaktion mit dem Regulatorprotein. Insgesamt möchten wir mit unseren Arbeiten zum Verständnis archaeeller Signaltransduktion und zur Methanogenenphysiologie im Besonderen beitragen.

 

 

Phytochrome

Phytochrome sind Rot- und Dunkelrotlicht-absorbierende Photorezeptoren. Entdeckt wurden Phytochrome ursprünglich in Pflanzen, in denen sie eine Vielzahl lichtabhängiger zellulärer Funktionen steuern. Diese Rotlichtrezeptoren wurden ebenso in neueren Studien in Pilzen, Cyanobakterien sowie heterotrophen Bakterien entdeckt. Das Vorkommen von Phytochromen in nicht-photosynthetischen Bakterien wie Pseudomonas aeruginosa ist bisher weitgehend ungeklärt. P. aeruginosa verfügt über die beiden notwendigen Komponenten eines Phytochromsystems: die Hämoxygenase BphO synthetisiert den Phytochrom-Chromophor Biliverdin IX α, welcher an das Apo-Phytochrom BphP gebunden wird (unten). BphP fungiert als Senorkinase eines typischen Zwei-Komponenten-Systems und alle erhalten biochemische Daten weisen auf einen aktiven Rotlichtrezeptor hin. Der Fokus der laufenden Untersuchungen liegt in der Identifizierung des korrespondierenden Antwortregulators sowie der Identifizierung des Signals, welches zur Aktivierung der Phytochrom-Signaltransduktionskaskade führt.

 

Molekulare Mechanismen der Biofilmauflösung in Pseudomonas aeruginosa

Die Auflösung eines bakteriellen Biofilms ist ein Prozess, bei dem sich planktonische Zellen aus einem Biofilm lösen, um neue Biofilme an anderen Plätzen zu erzeugen. Dieser Prozess wurde in verschiedenen Bakterien mit der Änderung der Konzentration des sekundären Botenstoffes c-di-GMP in Verbindung gebracht. Verschiedene Signale können dabei die intrazelluläre Konzentration von c-di-GMP erniedrigen, indem c-di-GMP-abbauende Phosphodiesterasen stimuliert werden. Das Signalmolekül Stickstoffmonoxid (NO) ist ein bekannter Faktor, der die Auflösung von Pseudomonas aeruginosa Biofilmenbegünstigt. In unserem Labor wurde kürzlich ein Membranprotein identifiziert, das an der NO-induzierten Biofilmauflösung beteiligt ist. NO-induced biofilm dispersion locus A (NbdA) ist ein Multidomänenprotein, bestehend aus einer MHYT-GGDEF-EAL Fusion. Neben NbdA wurden bereits eine Reihe weiterer Proteine identifiziert, die an der Biofilmauflösung in P. aeruginosa beteiligt sind. Unter ihnen das Chemotaxis-vermittelnde Protein BdlA sowie die Phosphodiesterase DipA. Um den Mechanismus der NO-induzierten Biofilmauflösung zu verstehen, soll NbdA rekombinant produziert und mittels Affinitätschromatographie gereinigt werden, um anschliessend seine postulierte Sensorfunktion biochemisch zu untersuchen. Basierend auf bioinformatischen Vorhersagen handelt es sich bei der MHXYT Domäne um eine Gassensordomäne, die über koordinierte Kupferionen zweiatomige Gase binden und damit wahrnehmen kann. UV-Vis und Atomabsorptionsspektroskopie in Kombination mit ortsgerichteter Mutagenese sollen die Art und die Koordination des Kofaktors bestimmen. Zusätzlich sollen Phosphodiesterase-Assays genutzt werden, um den Einfluss von NO auf die Aktivität zu untersuchen. Da eine nbdA Mutante keinen Biofilm nach NO Zugabe auflösen kann, soll mit Hilfe von Kreuzkomplementationsexperimenten in Schlauchreaktoren die Reihenfolge der Signaltransduktion untersucht werden. Diese Versuche sollen durch in vitro cross-linking Experimente ergänzt werden. Ziel des Vorhabens ist die molekularen Mechanismen der NO-induzierten Biofilmauflösung in P. aeruginosa im Detail zu verstehen.

 

 

Ein komplexes regulatorisches Netzwerk in Streptococcus pneumoniae: Das Zweikomponentensystem CiaRH

Mein hauptsächliches Forschungsinteresse liegt in der Analyse eines komplexen Zwei-Komponenten Regulationssytems CiaRH des humanpathogenen Bakteriums Streptococcus pneumoniae. Das System ist an der Penicillin Resistenz beteiligt, an der Ausprägung der Kompetenz zur Aufnahme von DNA, an Aufrechterhaltung der Integrität der Zellwand, und an der Zuckerverwertung. Diese Prozesse werden von kleinen nicht-codierenden RNAs kontrolliert, die Bestandteil des CiaR Regulons sind. Die weitere Untersuchung der physiologischen Rolle dieser kleinen RNAs ist ein Ziel der derzeitigen Forschung.