Ökoevolution und zelluläre Funktionalität der heterozygoten Bakteriengattung Achromatium

• Antragsteller: Dr. Danny Ionescu
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465407921

Achromatium ist ein großes Bakterium, das weltweit in unterschiedlichsten Umgebungen vorkommt. Es hat periplasmatische CaCO3-Kristalle, die in die zytoplasmatische Membran einstülpen und die Zelle kompartimentieren scheinen. Achromatium ist heterozygot und besitzt ca. 300 Chromosomen pro Zelle - eine genomische Vielfalt, die mikrobiellen Gemeinschaften ähnelt. Dies ist konträr zu aktuellen Dogmen, dass die vielen Chromosomen polyploider Prokaryoten identisch sind. Fluoreszenzmarkierungen von rRNA zeigen, dass verschiedene Allele an unterscheidlichen Orten der Zelle exprimiert werden. Erweist sich diese funktionelle Kompartimentierung als Tatsache, wäre Achromatium ein bakterielles Äquivalent zu mehrzelligen Organismen. Unabhängig von seinem Lebensraum hat Achromatium ein identisches Funktionspotential, jedoch bilden Genexpressionsmuster umweltspezifische Cluster. Achromatium ist ein perfektes Modell zur Untersuchung von Mechanismen und ökoevolutionären Konsequenzen der mikrobiellen Heterozygotie sowie der intrazellulären genetischen Vielfalt. Daher möchte ich untersuchen 1) Die Mechanismen, durch die diese enorme intrazelluläre Diversität erzeugt, reguliert und vermehrt wird sowie 2) Die ökologischen Vorteile, die Achromatium dazu bringen, ein kostspieliges genetisches System zu beherbergen. In zwei Artikeln schlug ich Folgendes vor: i) Genetische Vielfalt wird durch Chromosomenmischen während der Zellteilung erzeugt, ii) Achromatium exprimiert verschiedene Allele unter verschiedenen Umweltbedingungen und iii) Achromatium akkumuliert Funktionen mit der Zeit. Diese Hypothesen sollen mit frischen Zellen getestet werden, die das ganze Jahr im Stechlinsee verfügbar sind. Die Zellgröße (<100×40 um) ermöglicht die Anwendung von Bildgebungstechniken, die typischerweise durch die Größe der Bakterien limitiert sind. Die Zellstruktur wird mit Elektronenmikroskopie aufgelöst. Imageanalysen des Zellmetaboloms und der DNA/Protein-Synthese überprüfen die funktionelle Kompartimentierung. Die Heterozygotie wird durch Sequenzierung einzelner Chromosomen untersucht. Chromosomenmischen wird durch Imageanalysen und durch separate Sequenzierungen sich teilender Zellen getestet. Die differentielle Expression mehrerer Allele wird unter verschiedenen experimentellen Bedingungen durch Einzelzelltranskriptome mittels einer neuen, erfolgreich getesteten Methode untersucht. Um umweltspezifische Genanreicherung zu testen, werden marine, Brack- und Süßwassermetagenome sowie Metatranskriptome sequenziert. Wenn sich die obigen Hypothesen als richtig erweisen, würde Achromatium eine prokaryotische Vorläuferstufe für sexuelle Reproduktion und Mehrzelligkeit darstellen. Es würde einen alternativen Evolutionspfad zur Anpassung verwenden, bei dem mehrere Allele akkumulieren, um eine maßgeschneiderte Reaktion auf verschiedene Umweltbedingungen zu bieten. Damit würde sich unsere Wahrnehmung über die Entwicklung und Funktion polyploider Bakterien stark verändern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Rumänien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Lucian Barbu-Tudoran