Ökologie und Funktionen kleiner SCIFF-Proteine im Darmmikrobiom

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Clavel; Professor Dr. Tobias A. M. Gulder
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453182863

Trotz des großen Interesses an der Erforschung des Darmmikrobioms und dessen Einfluss auf die Gesundheit des Wirts steckt die Forschung zu Mikroben-Mikroben- und Mikroben-Wirt-Wechselwirkungen auf molekularer Ebene noch in den Kinderschuhen. In vorherigen Arbeiten haben wir Biosynthesegencluster (BGCs) in kultivierten Bakterien aus dem Darm von Schweinen untersucht, wichtige Tiere sowohl in der biomedizinischen Forschung, als auch in der Landwirtschaft. Während die Gesamtzahl der BGCs in den 38 analysierten neuen Taxa für prokaryotische Organismen eher gering war, gab es eine bemerkenswerte Anreicherung von BGCs für ribosomale Peptide, die kleine Proteine mit SCIFF-Sequenz enthalten, welche die Produktion neuer Sactipeptide vermuten lassen. Diese wurden in 24 Stämmen (63% Prävalenz) nachgewiesen, verglichen mit <1% in öffentlich verfügbaren bakteriellen Genomen. Die weite Verbreitung dieser BGCs verbunden mit dem antibakteriellen Potenzial bekannter Sactipeptide, legen eine wichtige Rolle der kodierten Moleküle bei der Gestaltung der Zusammensetzung und Funktionen des Darmökosystems nahe. In diesem Projekt kombinieren wir unser Know-how in den Bereichen anaerober Kultivierung, Metagenomik und biomolekularer Naturstoffchemie, um (i) die Prozessierung der kleinen SCIFF-Proteine zu untersuchen, (ii) ihre vollständig modifizierten Endprodukte strukturell zu charakterisieren und (iii) deren Rolle in Darmmikrobiomen funktionell zu untersuchen. Der Zugang zu den Produkten wird durch Techniken der synthetischen Biologie zur Klonierung, Rekombination und heterologen Expression der entsprechenden BGCs in Kombination mit moderner chemischer Analytik zur Produktisolierung bzw. -charakterisierung ermöglicht. Bakterielle Isolate aus dem Darm von Schweinen und Vereinfachte Gemeinschaften davon werden in Kultursystemen verwendet, um Faktoren aus dem Darmlumen zu bewerten, die die Produktion der kleinen Zielproteine regulieren. Parallel dazu werden die Auswirkungen der Zielproteine auf native mikrobielle Gemeinschaften durch eine Interventionsstudie an Schweinen und anschließende Shotgun-Analysen getestet. In Zusammenarbeit mit den Z-Projekten werden Proben sowohl aus den in vitro- also auch in vivo-Experimenten analysiert. Insgesamt wird dieses interdisziplinäre Projekt detaillierte funktionale Einblicke in die Biologie neuartiger kleiner Proteine liefern, die für die Wechselwirkungen zwischen Mikroben und Wirt im Darm relevant sind. Dank einer einzigartigen Kombination von Ansätzen, die sich mit mikrobiellen Gemeinschaften, neuen Modellsystemen, synthetischer Biologie und chemischer Analytik befassen, wird ferner das derzeitige Fachwissen innerhalb des Konsortiums gestärkt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2002: Kleine Proteine in Prokaryoten, eine unbekannte Welt