Die genetische Grundlage der natürlichen Kompetenz bei filamentösen Cyanobakterien

• Antragstellerin: Professorin Dr. Tal Dagan
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456882089

DNA-Austausch durch lateralen Transfer spielt eine wichtige Rolle in der Evolution prokaryotischer Organismen. Wir konzentrieren uns in diesem Förderantrag auf einen DNA-Transfermechanismus, die natürliche Transformation, welche von der Fähigkeit der Empfängerzelle abhängt, aktiv DNA aus der Umwelt in das Cytoplasma zu transportieren, was als natürliche Kompetenz bezeichnet wird. Die Prävalenz von natürlicher Kompetenz in Bakterien legt nahe, dass natürliche Kompetenz für Bakterien von Vorteil sein könnte, obwohl die Natur dieses Nutzens noch unklar ist und in der Literatur drei Möglichkeiten diskutiert werden: 1) metabolischer Vorteil (d.h. Nahrung), 2) Verfügbarkeit eines Templates für die DNA-Reparatur und 3) erhöhte genetische Vielfalt durch Rekombination. Hier wollen wir die Mechanismen der natürlichen Kompetenz in filamentösen Cyanobakterien erforschen. Cyanobakterien bewohnen verschiedene Ökosysteme, darunter Wasser- und Bodenhabitate, extreme Umgebungen sowie wirtsassoziierte Lebensräume. Mehrere Cyanobakterienspezies sind wichtig für Anwendungen in der Lebensmittelindustrie und Biotechnologie. Untersuchungen zur natürlichen Kompetenz bei Cyanobakterien konzentrierten sich bisher auf einzellige Modellorganismen. Unsere bisherigen Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass natürliche Kompetenz bei filamentösen und Heterocysten-bildenden Cyanobakterien häufig vorhanden ist, so dass sich die Möglichkeit zur Erforschung mehrerer Schlüsselfragen eröffnet: Gibt es weitere Cyanobakterien, die natürlich kompetent und damit für genetische Modifikationen durch natürliche Transformation zugänglich sind? Gibt es zusätzliche, bisher unbekannte Gene, die bei filamentösen Cyanobakterien in natürliche Kompetenz involviert sind? Wie wird natürliche Kompetenz bei filamentösen Cyanobakterien in die zellulären und metabolischen Prozesse integriert? Wie wird die natürliche Kompetenz innerhalb eines cyanobakteriellen Filaments reguliert? In diesem Antrag zielen wir darauf ab, die Mechanismen der natürlichen Kompetenz in filamentösen Cyanobakterien und ihre Regulation auf der Ebene der Population und des einzelnen Filaments eingehend zu untersuchen. Die Erweiterung der Anzahl bekannter kompetenter Organismen wird es uns ermöglichen, gemeinsame Mechanismen, die der natürlichen Kompetenz zur Grunde liegen, über verschiedene Cyanobakterienspezies hinweg zu identifizieren. Die detaillierte Untersuchung der Physiologie der natürlichen Kompetenz soll zudem Hinweise auf die Vor- und Nachteile der natürlichen Kompetenz bei Cyanobakterien liefern. Der Fokus auf filamentöse Cyanobakterien wird weiter zu unserem Verständnis der Auswirkungen des DNA-Austausches bei multizellulären Bakterien beitragen. Es wird erwartet, dass unsere Forschung nicht nur Auswirkungen auf die Cyanobakterienforschung und biotechnologische Anwendungen haben wird, sondern auch auf die Erforschung der natürlichen Kompetenz und des DNA-Austausches durch Transformation in anderen bakteriellen Phyla.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen