Die molekularen Grundlagen der Adhäsion und Fortbewegung von Diatomeen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Nils Kröger; Nicole Poulsen, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389641685

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Kieselalgen (Diatomeen) sind eine vielfältige Gruppe einzelliger eukaryontischer Algen mit kompliziert gemusterten Silica-Zellwänden. Sie spielen eine wichtige Rolle in den globalen Ökosystemen, da sie etwa 20% der globalen Kohlenstofffixierung beitragen. Benthische, pennate Kieselalgen sind für ihre Adhäsionskraft an natürlichen und künstlichen Oberflächen bekannt und bilden dichte braune Biofilme auf Oberflächen in wässrigen Habitaten. Die molekularen Mechanismen der Adhäsion und der Gleitbewegung von pennaten Diatomeen sind bisher weitgehend unbekannt. Ziel dieses Projekts war es, diese Mechanismen zu entschlüsseln. Um dies zu erreichen, wollten wir sowohl die extrazelluläre Adhäsionsproteine als auch intrazelluläre Komponenten identifiziert, die das Aktin-Myosin Zytoskelett mit den Adhäsionsproteinen verbinden. Craspedostauros australis und Amphora coffeaeformis dienten uns dabei als Modellorganismen für benthische, pennate Diatomeen. Durch Kombination von Proteomik, Molekulargenetik und Live-Cell-Imaging identifizierten wir 30 Proteine in gereinigtem Adhäsionsmaterial beider Diatomeenspezies. Diew phylogenetische Analyse zeigte, dass viele dieser Proteine spezifisch für pennate Diatomeen sind, und die Immunfluoreszenzlokalisierung bestätigte, dass sieben von ihnen strukturelle Komponenten des Adhäasionsmaterials sind. Vor allem die Choiceof-Anchor A (CAA)-Domäne, die durch horizontalen Gentransfer von Bakterien übernommen wurde, erwies sich als weit verbreitete Domäne in den Adhäsionsproteinen. Die Strukturmodellierung der CAA-Domäne ergab Ähnlichkeiten mit Eis-bindenden Proteinen, was auf eine mögliche Rolle bei der Vermittlung von Protein-Oberflächen-Interaktionen hindeutet, was wir derzeit experimentell untersuchen. Um die molekularen Grundlagen Gleitbewegung zu untersuchen, nutzten wir phylogenetische Analysen zur Identifizierung von Myosine, die spezifisch für pennate Diatomeen sind. Durch GFP-Tagging und Zeitraffermikroskopie zeigten wir eine direkte Korrelation zwischen der intrazellulären Bewegung der Myosine und der Gleitbewegung der Zelle. Um die Dynamik der Sekretion des Adhäsionsmaterials zu untersuchen, entwickelten wir ein Lektin-basiertes Live-Cell-Imaging-Tool, das die Visualisierung der Ablagerung von Adhäsionsmaterial in Echtzeit ermöglicht. Damit konnten wir eine quantitative Korrelation zwischen Sekretionsaktivität und Gleitgeschwindigkeit nachweisen. In einer zweiten Proteomik-Studie identifizierten weiter mögliche Komponenten des Diatomeen- Adhäsions-Motilitätskomplexes. Insgesamt liefert unsere Arbeit eine molekulare Grundlage für das Verständnis der Mechanismen der Kieselalgenadhäsion und -motilität und eröffnet damit neue Wege für die Entwicklung von bioinspirierten Klebstoffen, Antifouling-Strategien und die Herstellung nachhaltiger Materialien.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Identification of proteins in the adhesive trails of the diatom Amphora coffeaeformis. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 374(1784), 20190196.
  Lachnit, Martina; Buhmann, Matthias T.; Klemm, Jennifer; Kröger, Nils & Poulsen, Nicole
  
• Mating type specific transcriptomic response to sex inducing pheromone in the pennate diatom Seminavis robusta. The ISME Journal, 15(2), 562-576.
  Bilcke, Gust; Van den Berge, Koen; De Decker, Sam; Bonneure, Eli; Poulsen, Nicole; Bulankova, Petra; Osuna-Cruz, Cristina Maria; Dickenson, Jack; Sabbe, Koen; Pohnert, Georg; Vandepoele, Klaas; Mangelinckx, Sven; Clement, Lieven; De Veylder, Lieven & Vyverman, Wim
  
• The Seminavis robusta genome provides insights into the evolutionary adaptations of benthic diatoms. Nature Communications, 11(1).
  Osuna-Cruz, Cristina Maria; Bilcke, Gust; Vancaester, Emmelien; De Decker, Sam; Bones, Atle M.; Winge, Per; Poulsen, Nicole; Bulankova, Petra; Verhelst, Bram; Audoor, Sien; Belisova, Darja; Pargana, Aikaterini; Russo, Monia; Stock, Frederike; Cirri, Emilio; Brembu, Tore; Pohnert, Georg; Piganeau, Gwenael; Ferrante, Maria Immacolata ... & Vandepoele, Klaas
  
• Diurnal transcript profiling of the diatom Seminavis robusta reveals adaptations to a benthic lifestyle. The Plant Journal, 107(1), 315-336.
  Bilcke, Gust; Osuna‐Cruz, Cristina Maria; Santana Silva, Marta; Poulsen, Nicole; D.’hondt, Sofie; Bulankova, Petra; Vyverman, Wim; De Veylder, Lieven & Vandepoele, Klaas
  
• Diatom Adhesion and Motility. The Molecular Life of Diatoms, 367-393. Springer International Publishing.
  Poulsen, Nicole; Davutoglu, Metin Gabriel & Zackova Suchanova, Jirina
  
• On the role of cell surface associated, mucin‐like glycoproteins in the pennate diatom Craspedostauros australis (Bacillariophyceae). Journal of Phycology, 59(1), 54-69.
  Poulsen, Nicole; Hennig, Helene; Geyer, Veikko F.; Diez, Stefan; Wetherbee, Richard; Fitz‐Gibbon, Sorel; Pellegrini, Matteo & Kröger, Nils
  
• Diatom adhesive trail proteins acquired by horizontal gene transfer from bacteria serve as primers for marine biofilm formation. New Phytologist, 240(2), 770-783.
  Zackova Suchanova, Jirina; Bilcke, Gust; Romanowska, Beata; Fatlawi, Ali; Pippel, Martin; Skeffington, Alastair; Schroeder, Michael; Vyverman, Wim; Vandepoele, Klaas; Kröger, Nils & Poulsen, Nicole
  
• Gliding motility of the diatom Craspedostauros australis coincides with the intracellular movement of raphid-specific myosins. Communications Biology, 7(1).
  Davutoglu, Metin G.; Geyer, Veikko F.; Niese, Lukas; Soltwedel, Johannes R.; Zoccoler, Marcelo L.; Sabatino, Valeria; Haase, Robert; Kröger, Nils; Diez, Stefan & Poulsen, Nicole