Heterogene Colicin E2 Expression in E. coli

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Erwin Frey; Privatdozentin Dr. Madeleine Opitz
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 217673565

Bakterien weisen verschiedene Mechanismen auf die sie in die Lage versetzen auf veränderliche und widrige Umweltbedingungen zu reagieren, oder im Wettkampf mit anderen Bakterien zu bestehen. Ein spezieller Mechanismus ist die Produktion und Abgabe von Toxinen wie zum Beispiel Bakteriozinen. Die aktuelle Forschung beschäftigt sich vornehmlich mit der Produktion, Abgabe und Aufnahme von Toxinen durch Bakterien. Es gibt allerdings nur wenige quantitative Untersuchungen, die sich mit den zugehörigen Genregulationsprozessen befassen. Während der ersten Förderperiode haben wir die Expressionsdynamik von Colicin E2 quantitativ auf Einzelzellebene untersucht, wobei zeitaufgelöste Einzelzellfluoreszenzmikroskopie verwendet wurde. Es gelang uns zu zeigen, dass bei niedrigen Konzentrationen des externen Stressors Mitomycin C heterogeneous timing in der Colicin E2 Expression vorliegt. Bei hohen Konzentrationen konnten wir hingegen eine synchrone Stressantwort aller Zellen beobachten. Für die nächste Förderperiode haben wir uns das Ziel gesetzt die der Colicin E2 Expression zugrundeliegenden molekularen Mechanismen während einer SOS Antwort aufzuklären. In Erweiterung unserer bisherigen Analysen sind wir insbesondere daran interessiert wie sich zeitlich veränderliche Umweltbedingungen auf die Colicin Expression auswirken. Wir verwenden dabei einen modularen Ansatz: Unter Verwendung mehrerer Mutanten werden wir die cea and cel Expression untersuchen und dabei die regulatorischen Mechanismen verschiedener Module einzeln und in ihrem Zusammenwirken studieren. Die Komplexität des Systems erfordert eine enge Integration von experimentellen und theoretischen Untersuchungen, um das Zusammenspiel transkriptioneller und post-transkriptioneller Regulation zu erforschen. Aus den Experimenten an verschiedenen Mutanten werden wir Zeitreihen der Fluoreszenzsignale der Reporterproteine erhalten, die anschließend statistisch ausgewertet und mit entsprechenden Resultaten aus dem mathematischen Modell verglichen werden. Durch diese Vorgehensweise werden wir in der Lage sein ein detailliertes molekulares Verständnis zu erhalten. Diese Analysen werden weiter zu einem molekularen Verständnis darüber führen wie verschiedene regulatorische Module des Colicin E2 Systems durch geänderte Umweltbedingungen aktiviert werden. Insbesondere sollten wir so tiefere Einsichten über die Ursachen für das beobachtete heterogeneous timing bei geringen Stressniveaus sowie dem Übergang zur synchronen Stressantwort erhalten. Schließlich möchten wir untersuchen wie phänotypische Heterogenität in wachsenden Mikrokolonien weitervererbt wird. Dabei möchten wir verstehen ob entweder ein von Colicin abhängiger Feedback auf benachbarte Zellen oder ein Zelldichteeffekt (quorum sensing) die Anzahl der Colicin exprimierenden Zellen beeinflußt. Diese Experimente werden es ermöglichen die biologische Signifikanz heterogener Colicin Expression sowie ihre Persistenz in wachsenden Mikrokolonien zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1617: Phänotypische Heterogenität und Soziobiologie bakterieller Populationen