Verständnis des Wechselspiels zwischen osmotischer Stressregulation und Ionenhomöostase in Saccharomyces cerevisiae: Ein Ansatz basierend auf der Integration von in vivo Mikroskopie, Microfluidics und mathematischer Modellierung.

• Antragsteller: Dr. Jannis Uhlendorf
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261044771

Die Reaktion von Saccharomyces cerevisiae auf osmotischen Stress ist einer der am besten untersuchten Stressadaptationsmechanismen eines Mikroorganismus. Dieser Adaptationsmechanismus erlaubt es Zellen zu wachsen, auch wenn die Osmolarität des externen Mediums ansteigt, zum Beispiel verursacht durch verdunstendes Medium. Die High Osmolarity Glycerol (HOG) Signalkaskade ist verantwortlich für diese Adaptation der Zelle an die erhöhte Osmolarität, indem sie die Produktion des Osmolyten Glycerol steigert und somit die intrazelluläre Osmolarität erhöht. Zusätzlich zur Wahrung des osmotischen Gleichgewichtes müssen Hefezellen ebenso die intrazellzulären Konzentrationen von verschiedenen Ionen aktiv regulieren, da einige Ionen wichtig für die physiologische Funktion der Zelle sind, während andere Ionen in höheren Konzentrationen toxisch wirken. Diese Regulation der Ionenkonzentrationen wird durch das Zusammenspiel verschiedener Ionentransporter und -pumpen in der Zellmembran realisiert. Die Aktivität der Transporter und Pumpen hängt von den intra- und extrazellulären Ionenkonzentrationen ab. Ionen- und Osmoregulation sind gekoppelt, da Änderungen von Ionenkonzentrationen auch Änderungen des osmotischen Potentials bewirken. Darüber hinaus sind verschiedene Interaktionen der beiden Adaptationssysteme bekannt, zum Beispiel der Einfluss der HOG Signalkaskade auf die Expression von Ionentransportern. Während die Erforschung der beiden einzelnen Systeme sehr weit fortgeschritten ist, ist das Zusammenspiel beider Systeme noch nicht vollständig verstanden. Dieses Projekt hat das Ziel, das Zusammenspiel zwischen osmotischer Regulation und Ionenhomöostase mit Hilfe eines mathematischen Modells des Gesamtsystems zu analysieren. Die Besonderheit hierbei ist, dass dieses Modell auf einer Fülle von in vivo-Messungen von Ionenkonzentrationsänderungen, ausgelöst durch externe Störungen, beruhen wird. Die externen Störungen können Änderungen des osmotischen Drucks oder der Ionenzusammensetzung des Mediums sein. Intrazelluläre Ionenkonzentrationen sowie Membranpotential werden hierbei mit Hilfe von fluoreszierenden Sensorproteinen oder Farbstoffen in vivo sowie in einzelnen Zellen beobachtet. Die Aktivität von Signalkaskaden sowie die Expression bestimmter Gene wird ebenfalls mit fluoreszierenden Proteinen bestimmt. Eine (zeitlich) dynamische sowie präzise Kontrolle der externen Bedingungen, also des osmotischen Drucks sowie der Ionenzusammensetzung des Mediums, erfolgen hierbei mit Hilfe eines mikrofluidischen Chips. Diese dynamische Kontrolle des extrazellulären Mediums ist ein ideales Mittel, um das Verhalten eines dynamischen Systems zu analysieren. Die Kombination von in vivo-Messungen von Ionenkonzentrationen mit den Perturbationsmöglichkeiten eines mikrofluidischen Chips stellen ein ideales Mittel dar, ein integratives Modell von osmotischer Adaptation und Ionenhomöostase zu entwickeln, welches helfen wird, das Zusammenspiel beider Systeme zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen