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Projekt
Die Kontrolle des cyanobakteriellen Tag-Nacht-Metabolismus durch die biologische Uhr
Antragstellerin
Professorin Dr. Annegret Wilde
Fachliche Zuordnung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Förderung
Förderung seit 2018
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397695561
In ihrer natürlichen Umgebung sind Cyanobakterien ständig wechselnden Umweltbedingungen ausgesetzt, die sich oft unvorhersehbar ändern können. Einige der Veränderungen sind jedoch vorhersehbar, wie z. B. der Tag-Nacht-Wechsel. Für photosynthetische Organismen erfordert das Wachstum in einem solchen Hell-Dunkel-Zyklus eine komplette Umkehrung ihres Stoffwechsels. Photosynthese und CO2-Fixierung sind tagsüber aktiv, da diese Prozesse lichtabhängig sind. Nachts werden die Glykogenreserven, die während der Lichtperiode synthetisiert wurden, abgebaut und die Zellen gehen somit von einem photoautotrophen zu einem heterotrophen Stoffwechsel über. Cyanobakterien sind in der Lage, die täglichen Veränderungen der Lichtverfügbarkeit mit Hilfe einer biologischen Uhr vorherzusagen. Diese Uhr weist keine Homologie zu bekannten Uhr-Systemen aus eukaryotischen Organismen auf. Unsere früheren Studien zeigten, dass Homologe der bekannten bakteriellen Uhrproteine wichtig für das Wachstum des Modell-Cyanobakteriums Synechocystis sp. PCC 6803 im Hell-Dunkel-Zyklus sind. Durch die Untersuchung des zentralen Stoffwechsels in unserem Modellstamm im Licht und im Dunkeln leisten wir einen wichtigen Beitrag zum Ziel der Forschungsgruppe "Der Autotrophie-Heterotrophie-Wechsel in Cyanobakterien: Geregelte Entscheidungsfindung auf vielen Ebenen" (abgekürzt "SCyCode"). In enger Zusammenarbeit mit den SCyCode-Experten für Stoffwechsel- und Proteomanalysen konnten wir in mutierten Stämmen, denen bestimmte Elemente des Uhr-Systems in Synechocystis sp. PCC 6803 fehlen, starke Veränderungen insbesondere im Dunkelstoffwechsel nachweisen. Vor allem führte ein nicht funktionierendes Uhr-System in diesem Organismus dazu, dass die Aktivität des kohlenstofffixierenden Enzyms RubisCO im Dunkeln nicht abgeschaltet werden konnte und der Speicherstoff Polyhydroxybutyrat, ein Biopolymer mit biotechnologischem Potenzial, nicht akkumuliert werden konnte. Weiterhin untersuchten wir ein alternatives Uhr-System, das sich als relevant für das heterotrophe Wachstum erwies. In der zweiten Förderperiode werden wir uns auf ein mechanistisches Verständnis der Rolle der verschiedenen Uhrenproteine beim Wechsel zwischen Autotrophie und Heterotrophie im Tag-Nacht-Zyklus konzentrieren. Die Experimente, die wir in Zusammenarbeit mit verschiedenen SCyCode-Mitgliedern entworfen haben, sollen bestimmen, wie die Synechocystis-Uhrenproteine zur Regulation der Kohlenstofffixierung beitragen, welches die direkten Ziele der verschiedenen Uhr-Systeme sind und wie uhr-abhängige Proteinphosphorylierungen und Genexpressionsänderungen einen ausgeglichenen cyanobakteriellen Stoffwechsel im Tag-Nacht-Rhythmus ermöglichen. Diese Erkenntnisse könnten von Bedeutung für mögliche biotechnologische Anwendungen zur nachhaltigen Nutzung phototropher Mikroorganismen sein.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
