Untersuchungen zum Einfluss der Proteinlast auf die Physiologie von Enterococcus faecalis mittels Integration von quantitativen Proteomdaten und Genom-weiten Modellen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr. Tomas Fiedler; Dr. Nadine Veith
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396940041

Mikrobielles Wachstum zu verstehen ist sowohl für die Biotechnologie hoch relevant, als auch von zentraler Bedeutung im Kampf gegen pathogene Mikroorganismen. Gen- und Proteinexpression sowie Stoffwechselprozesse von Bakterien sind zwar zum Teil sehr gutuntersucht, mikrobielles Wachstum in seiner Komplexität ist jedoch nach wie vor nicht umfassend verstanden. In den letzten Jahren wurde in theoretischen und experimentellen Arbeiten gezeigt, dass der Proteingehalt - also die Gesamtmenge an Protein in der Zelle -begrenzt ist und damit das mikrobielle Wachstum limitiert. Einerseits ist die Gesamtproteinmenge aufgrund der Anzahl und katalytischen Aktivität von Ribosomen und RNA-Polymerasen begrenzt. Andererseits konnten wir und andere Gruppen zeigen, dass die intrazelluläre Konzentration von z.B. glykolytischen Enzymen extrem hoch ist und nahe am physikalischen Limit sein muss. Wesentlich höhere Konzentrationen würden zur Kristallbildung führen. Wenn die Gesamtproteinmenge in der Zelle an ihrem physikalischen Limit ist, kann die Expression spezifischer Proteine, z. B. zur Anpassung an veränderte Umweltbedingungen, nur durch die Umstrukturierung der Zusammensetzung des Proteoms erfolgen. Eine Limitierung der Gesamtproteinmenge in der Zelle hat auch praktische Folgen für molekulare Engineering Strategien und in der Biotechnologie. Begrenzungen der Gesamtproteinmenge in der Zelle werdenbeispielsweise die Optimierung von Ausbeuten oder die Überexpression von Proteinen beeinflussen. Es wird also immer deutlicher, dass der Evolution und der Umweltadaptation von Bakterien durch physikalische und biochemische Gegebenheiten enge Rahmenbedingungen gesetzt sind. Diese Rahmenbedingungen haben Einfluss darauf, wie die Zelle ihre limitierten Ressourcen im Verlaufe ihres Wachstums aufteilt, um optimale Fitness zu gewährleisten. Eine angemessene Ressourcenverteilung ist nachheutigem Kenntnisstand also ein wichtiger Faktor für erfolgreiche Adaptationsprozesse. Dies legt nahe, dass enge und sensitive Regulationsmechanismen die Gesamtproteinexpression in der Zelle kontrollieren müssen. Bisher ist der Einfluss der Gesamtproteinmenge auf zelluläre Prozesse nicht umfassend und systematisch untersucht worden. Dies wollen wir in dem hier beantragten Projekt tun. Wirkombinieren dabei klassische mikrobiologische Methoden mit der neuesten Gesamt-Zell-Proteom-Technologie und Computermodellen. Enterococcus faecalis soll als Modellbakterium für unsere Untersuchungen dienen, denn (a) es ist biotechnologisch relevant, (b) es ist genetisch gut untersucht, (c) es hat ein relativ kleines Genom,(d) wir habe ein genomweites Stoffwechsel-Modell zur Verfügung und (e) wir konnten die Machbarkeit der Integration von Proteomdaten in dieses Modell bereits zeigen. In diesem Projekt wollen wir klären, wie E. faecalis auf künstlich erzeugte Hyperexpression einzelner Proteine reagiert, um die intrazelluläre Protein-Konzentration konstant zuhalten und welche Mechanismen dies kontrollieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen