Quantitative, vergleichende und mechanistische Untersuchung der Robustheit, Anpassungsfähigkeit und Grenzen des schlanken Translationssystems von Chloroplasten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Sophia Rudorf; Professor Dr. Felix Willmund; Dr. Reimo Zoschke
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437345987

Chloroplasten, die photosynthetisch aktiven Organellen der Pflanzen mit cyanobakteriellem Ursprung, verfügen über ein eigenes Genom, das durch eine prokaryotische Maschinerie exprimiert wird. Im Zuge der Koevolution mit der Wirtszelle wurde die chloroplastidäre Proteinbiosynthesemaschinerie dramatisch reduziert. Das Ergebnis ist ein schlankes Translationssystem, das mit einem reduzierten tRNA-Satz und weniger als 100 Leserahmen arbeitet. Diese minimalistische Ausstattung macht Chloroplasten zu einem idealen Modellsystem, um Grenzen und Robustheit des Translationsapparats zu untersuchen und dessen Funktionsweise computergestützt zu modellieren. Unser interdisziplinärer Forschungsantrag zielt darauf ab, ein grundlegendes Verständnis der Proteinsynthese in Chloroplasten zu gewinnen. Drei zentrale Fragen stehen dabei im Mittelpunkt: Wie beeinflusst die Codon-Variabilität die Proteinsynthese? Wie reguliert die Verfügbarkeit von tRNAs diesen Prozess? Wie funktionieren Ribosomen zuverlässig unter Stress oder bei gezielter Manipulation der Translationsmaschinerie? Obwohl die enorme Anpassungsfähigkeit des Translationsapparats bekannt ist, sind die zugrunde liegenden regulatorischen Mechanismen bislang kaum verstanden. Unser Projekt gliedert sich in drei Arbeitspakete, die diese Mechanismen entschlüsseln sollen: 1. Wir analysieren, wie der genetische Code die Effizienz der Translation beeinflusst und bewerten die Codon Usage auf der DNA-, mRNA- und Translationsebene neu. Durch gezielte Veränderung der Codon Usage von Genen untersuchen wir deren Auswirkungen auf Translation und Stressantwort. Ziel ist ein prädiktives Modell zur Codon-Optimierung. 2. Wir quantifizieren den tRNA-Pool der Chloroplasten, um dessen Beitrag zur Dynamik der Translation zu erfassen. Durch gezielte Deletion oder Integration einzelner tRNA-Gene und die Identifikation kompensatorischer Mechanismen untersuchen wir, wie Robustheit und Plastizität des Systems ermöglicht werden. Diese Erkenntnisse fließen in computergestützte Modelle ein, die den Einfluss der tRNA-Verfügbarkeit auf Translationsgeschwindigkeit und -genauigkeit simulieren. 3. Wir analysieren die Interaktionen zwischen Ribosomen, Codonen und tRNAs während der Elongation mittels Cryo-Elektronenmikroskopie und -Tomographie. So erzeugen wir Momentaufnahmen von Ribosomen in verschiedenen Translationszuständen und können untersuchen, wie unterschiedliche Codon-tRNA-Paarungen (Standard, Wobble, Superwobble) Tempo und Präzision der Translation beeinflussen. Durch die Kombination von Genetik, Molekularbiologie, Strukturbiologie und computergestützter Modellierung erhalten wir ein umfassendes, quantitatives Bild der Proteinsynthese in einem minimalen System. Die gewonnenen Erkenntnisse werden zum Verständnis pflanzlicher Grundprozesse beitragen, die synthetische Biologie und Biotechnologie unterstützen und die Entwicklung minimaler Zellen mit gezielter Proteinproduktion sowie die Züchtung robuster Kulturpflanzen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen