Molekularer Mechanismus der Zellkrümmung im spiralförmigen Bakterium Rhodospirillum rubrum
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bakterien haben viele verschiedene Formen, die für eine optimale Fitness ausschlaggebend sind. Neben den typischen stäbchen- und kugelförmigen Morphologien sind Spiralformen weit verbreitet, aber die Mechanismen ihrer Entstehung sind bisher noch nicht vollständig verstanden. In diesem Projekt wurde ein neuartiges System identifiziert, das die Zellkrümmung in dem spiralförmigen photosynthetischen Bakterium Rhodospirillum rubrum und vermutlich vielen seiner Verwandten vermittelt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass in dieser Spezies zwei Porine (Por39/41) eine spiralförmige, bandartige Struktur in der äußeren Krümmung der äußeren Zellmembran bilden, die ein Zellwand bindendes Lipoprotein (PapS) rekrutiert. Es zeigte sich, dass diese Porin-PapS-Strukturen die für das laterale Zellwachstum verantwortlichen Zellwand-Biosynthesekomplexe an ihrer Bewegung hindern. Dies führt zu einem relativen Anstieg der Zellwandbiosynthese-Aktivität in ihrer Umgebung, durch welchen der Zellzylinder zu einer Spiralform verzerrt wird. Diese Befunde decken einen bemerkenswerten Grad an Organisation in der äußeren Membran von R. rubrum sowie eine neuartige regulatorische Wirkung von Proteinen der äußeren Membran auf die Dynamik der Zellwandbiosynthese auf. Interessanterweise zeigte sich, dass diesem primären krümmungsinduzierenden System ein zweites morphogenetisches Modul entgegenwirkt, das sich aus dem Bactofilin-Zytoskelett und der Zellwandhydrolase LmdC zusammensetzt. Diese beiden Komponenten bilden Komplexe in der inneren Krümmung der Zelle, wo sie das Zellwandwachstum stimulieren und dadurch die Gesamtkrümmung der Zelle verringern. Bioinformatische Studien ergaben, dass das Bactofilin-LmdC-Modul in einer großen Anzahl von Bakterienarten vorkommt. Um seine morphogenetische Rolle weiter zu untersuchen, analysierten wir seine Funktion zusätzlich in dem zu R. rubrum verwandten gestielten, knospenden Bakterium Hyphomonas neptunium. Es zeigte sich, dass Bactofilin-LmdC-Komplexe dort eine morphogenetische Schlüsselrolle spielen und ihr Fehlen zu schweren morphologischen Defekten führt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sie die Zellwand lockern, um so die Ausbildung von Zellkrümmung zu fördern, und zudem als Diffusionsbarrieren dienen, die den Zellwandbiosynthese-Apparat auf bestimmte Wachstumszonen beschränken. Abschließend identifizierten wir eine zusätzliche Komponente des PapS-Systems (CsgP), die für seine Funktion in R. rubrum, nicht aber in entfernteren Verwandten essenziell ist. Darüber hinaus konnten wir in R. rubrum ein drittes Protein (CcfM) identifizieren, das bei seiner Überproduktion Zellen unabhängig von PapS krümmt. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass die Spiralform von R. rubrum durch das Zusammenspiel von drei verschiedenen Systemen entsteht, deren Zusammenspiel vermutlich eine dynamische Anpassung der Zellkrümmung an die Umwelt ermöglicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A dynamic bactofilin cytoskeleton cooperates with an M23 endopeptidase to control bacterial morphogenesis. eLife, 12.
Pöhl, Sebastian; Osorio-Valeriano, Manuel; Cserti, Emöke; Harberding, Jannik; Hernandez-Tamayo, Rogelio; Biboy, Jacob; Sobetzko, Patrick; Vollmer, Waldemar; Graumann, Peter L. & Thanbichler, Martin
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An outer membrane porin-lipoprotein complex modulates elongasome movement to establish cell curvature in Rhodospirillum rubrum. Nature Communications, 15(1).
Pöhl, Sebastian; Giacomelli, Giacomo; Meyer, Fabian M.; Kleeberg, Volker; Cohen, Eli J.; Biboy, Jacob; Rosum, Julia; Glatter, Timo; Vollmer, Waldemar; van Teeseling, Muriel C. F.; Heider, Johann; Bramkamp, Marc & Thanbichler, Martin
