Untersuchung der MreB Dynamik und Zellwandsynthese in B. subtilis durch Superauflösungs-Mikroskopie und optisch-mechanische Manipulation

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Rohrbach
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262837402

Das Verständnis von Aufbau und Synthese der Zellwand in Bakterien ist nicht nur für die Grundlagenforschung von großer Bedeutung, sondern auch wichtig für die Entwicklung neuer Medikamente, insbesondere den Einsatz von Antibiotika. In den letzten Jahren wurde deshalb das Aktin-ähnliche Protein MreB aufgrund seiner besonderen Bedeutung für die Zellwandsynthese von verschiedenen Gruppen intensiv erforscht. Unsere Gruppe konnte in Kollaboration mit der Arbeitsgruppe von Prof. Graumann (Universität Marburg) durch schnelle, superauflösende Fluoreszenz-Mikroskopie (TIRF-SIM) und biophysikalische Analysen zeigen, dass MreB Filamente eine längenabhängige Transportgeschwindigkeit mit häufigen Richtungs¬wechseln aufweisen und als mechanische Kopplungselemente bei der Synthese von Zellwandsträngen zu dienen scheinen. Diese Beobachtungen wurden in dem Bakterium Bacillus subtilis gemacht, welches hier als Modellsystem verwendet wird. In diesem Projekt soll ein bestehendes Superauflösungs-Mikroskop basierend auf strukturierter Beleuchtung erweitert und hinsichtlich der Bildaufnahmerate deutlich verbessert werden. Hierdurch soll die für die Zellwandsynthese wichtige Dynamik von MreB-Filamenten und anderer Proteine mit nahezu 100nm Auflösung in der Zelle beobachten werden. Weiterhin, soll ein zweiter sichtbarer Laser eingebaut werden, um so MreB und damit interagierende Enzyme in Kolokalisations-Experimenten untersuchen zu können. Zusätzlich soll ein IR-Laser für eine optische Pinzette sowie ein UV-Laser zur Mikro-Dissektion implementiert werden.Ein von uns kürzlich vorgestelltes, mechanistisches Modell, wonach MreB die Synthese mehrerer Zellwandstränge koordiniert, soll nun experimentell überprüft werden. Diese Ergebnisse sollen wiederum dazu verwendet werden, ein mathematisches Modell auf der Basis gekoppelter molekularer Motoren so zu erweitern, dass sämtliche beobachteten Phänomene der MreB-Dynamik und Zellwandsynthese beschrieben werden können, um so das Verständnis der Zellwandsynthese qualitativ und quantitativ zu verbessern.Es soll der Einfluss von globalen und lokalen Störungen der Bakterien auf die Zellwandsynthese untersucht werden. Hierzu sollen sämtliche Bakterien einer Probe durch den kontrollierten Zusatz von biochemischen Substanzen global manipuliert werden und daraufhin die Dynamik der MreB Filamente und weiterer relevanter Proteine über Fluoreszenz untersucht werden. In einem zweiten Schritt sollen einzelne Bakterien lokal durch optisch-mechanische Krafteinwirkung gestört werden, was zu einer ortsvarianten Änderung der Proteindynamik führen kann. Diese Manipulation soll einerseits durch optische Pinzetten vollzogen werden, andererseits soll durch den UV-Laser sehr lokal Zellmaterial zerstört und die Funktion von Proteinen deaktiviert werden. Hiermit soll die Frage beantwortet werden, inwieweit und auf welcher Zeitskala die Zellwandsynthese und MreB Dynamik lokal selbst-organisiert ablaufen bzw. von der gesamten Zelle peripher gesteuert wird

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Peter Graumann