Optische Eigenschaften von Mikroorganismen und Wahrnehmung der Lichtrichtung in der Phototaxis

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Jan Gerrit Korvink; Professorin Dr. Annegret Wilde
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390131350

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Cyanobakterien sind zur Phototaxis fähig, d. h. sie können sich zu einer Lichtquelle hin oder von ihr wegbewegen. Ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen, die hinter der Bewegung von Cyanobakterien stehen, kann unser Wissen über ihre ökologische Rolle in natürlichen Lebensräumen erweitern. In diesem Projekt haben unsere zwei Gruppen mit Fachkenntnissen in Mikrobiologie und Optik versucht, die physikalischen und biochemischen Grundlagen des gerichteten Lichtsinns der Cyanobakterien zu analysieren. Es wurde festgestellt, dass der Brechungsindex von Cyanobakterienzellen ungleichmäßig ist und in den Thylakoidmembranschichten höhere Werte aufweist als im Cytoplasma. Diese mikrooptischen Eigenschaften der Cyanobakterienzellen ermöglichen es dem Zellkörper, als optische Linse zu fungieren und die Richtung des einfallenden Lichts zu bestimmen. Zur Analyse bakterieller Bewegungen arbeiteten beide Gruppen zusammen, um optimale Oberflächen für die Analyse bakterieller Bewegungen testen und eine mobile Manipulationsplattform für die Positionierung kleiner dielektrischer Objekte, wie z. B. Mikroben, in einem Lichtstrahl herzustellen. Die AG Wilde konzentrierte sich außerdem auf das Verständnis der Dynamik von zellulären Anhängseln, den Typ-IV-Pili, die von Bakterien zur Bewegung auf Oberflächen genutzt werden. Die erfolgreiche Fluoreszenzmarkierung des Pilus-Filaments ermöglicht es uns nun, die Dynamik der Pili in lebenden Zellen zu beobachten. Wir haben außerdem Komponenten der Signaltransduktionskette identifiziert, die am Pilus- Assembly beteiligt sind, darunter chemotaxis-ähnliche Regulatoren mit bisher nicht untersuchten Domänen, die mit dem Pilus-Motor und der Pilus-Basis interagieren. Wir fanden heraus, dass diese Domäne allein in der Lage ist, an Typ-IV-Pili zu binden, und dass die Phosphorylierung bestimmter Regulatoren diese Bindung moduliert. Dieses Projekt hat Einblicke in die Mechanismen gewährt, die der Phototaxis von Cyanobakterien zugrunde liegen, sowie in die Dynamik des Zusammenbaus von Typ-IV-Pili in Reaktion auf Lichtsignale. Die Entwicklung neuer nano-optischer Methoden zur Analyse von Bakterienzellen und der Einsatz innovativer Techniken wie elektro-optischer Biochips zur Untersuchung der Bewegung einzelner Zellen als Reaktion auf Lichtsignale werden einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Bakterienforschung darstellen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Fototaxis – Wie Cyanobakterien zum Licht finden. In: Unterricht Biologie, 448. Friedrich Verlag GmbH, ISSN 0341-5260
  Wilde A.
  
• The (PATAN)-CheY-Like Response Regulator PixE Interacts with the Motor ATPase PilB1 to Control Negative Phototaxis in the Cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Plant and Cell Physiology, 61(2), 296-307.
  Jakob, Annik; Nakamura, Hiroshi; Kobayashi, Atsuko; Sugimoto, Yuki; Wilde, Annegret & Masuda, Shinji
  
• The Role of the Cyanobacterial Type IV Pilus Machinery in Finding and Maintaining a Favourable Environment. Life, 10(11), 252.
  Conradi, Fabian D.; Mullineaux, Conrad W. & Wilde, Annegret
  
• The social life of cyanobacteria. eLife, 10.
  Mullineaux, Conrad W. & Wilde, Annegret
  
• PATAN‐domain regulators interact with the Type IV pilus motor to control phototactic orientation in the cyanobacterium Synechocystis. Molecular Microbiology, 117(4), 790-801.
  Han, Yu; Jakob, Annik; Engel, Sophia; Wilde, Annegret & Schuergers, Nils
  
• Thermosynechococcus switches the direction of phototaxis by a c-di-GMP-dependent process with high spatial resolution. eLife, 11.
  Nakane, Daisuke; Enomoto, Gen; Bähre, Heike; Hirose, Yuu; Wilde, Annegret & Nishizaka, Takayuki
  
• Dynamic dielectrophoretic cell manipulation is enabled by an innovative electronics platform. Biosensors and Bioelectronics: X, 14, 100333.
  Julius, Lourdes Albina Nirupa; Scheidt, Henrik; Krishnan, Gowri; Becker, Moritz; Nassar, Omar; Torres-Delgado, Sarai M.; Mager, Dario; Badilita, Vlad & Korvink, Jan G.
  
• Surface characterisation reveals substrate suitability for cyanobacterial phototaxis. Acta Biomaterialia, 155, 386-399.
  Julius, Lourdes Albina Nirupa; Matter, Lukas; Schuergers, Nils; Lützenkirchen, Johannes; Trouillet, Vanessa; Gil-Díaz, Teba; Mamleyev, Emil R.; Wilde, Annegret; Badilita, Vlad & Korvink, Jan G.