Einfluss von Lanthanoiden auf (nicht-)methylotrophen Stoffwechsel In Beijerinckiaceae bacterium RH AL1

• Antragsteller: Dr. Carl-Eric Wegner
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467713456

Seltene Erden (Lanthanoide) werden für eine Vielzahl von Hochtechnologie-Anwendungen verwendet. Eine biologische Rolle wurde, aufgrund der geringen Bioverfügbarkeit, in der Vergangenheit ausgeschlossen, obwohl positive Effekte auf Nutzpflanzen und Nutzvieh durch Lanthanoid-Zugabe seit Jahren belegt sind. Die Entdeckung von lanthanoid-abhängigen Enzymen in methylotrophen Bakterien vor wenigen Jahren war ein Durchbruch in der Mikrobiologie. Die mittlerweile bekannte Schlüsselrolle von Lanthanoiden in der Methylotrophie macht diese hoch-relevant für den mikrobiellen Kohlenstoffkreislauf. Forschung in diesem Feld ist durch die Anwendung weniger Modellorganismen limitiert, die nicht die antizpierte, taxonomische and funktionelle Breite der Mikroben umfassen die Lanthanoide nutzen. Ich beabsichtige ein neues lanthanoid-abhängiges methylotrophes Isolat der Familie Beijerinckiaceae, Stamm RH AL1, zu verwenden um ein besseres, mechanistisches Verständnis über lanthanoid-abhängigen Stoffwechsel zu gewinnen. Ausgeprägte physiologische und genomische Eigenschaften, wie das Vorhandensein multipler Gene für lanthanoid-abhängige Enzyme, machen diesen Stamm besonders geeignet um lanthanoid-abhängigen Stoffwechsel auch vor einem nicht-methylotrophen Hintergrund zu untersuchen. Ich ziele darauf ab 1) die Rolle von Lanthanoiden in nicht-methylotrophen Stoffwechsel und dessen Regulation zu verstehen, 2) wie Lanthanoide aufgenommen werden, und 3) wie Genprodukte die mit lanthanoid-abhängigen Stoffwechsel in Beziehung stehen in Prokaryoten verteilt sind. Um diese Fragen zu beantworten soll Beijerinckiaceae bacterium RH AL1 genutzt werden um Genexpressionveränderungen in Folge von Lanthanoid-Zugabe unter nicht-methylotrophen Bedingungen mittels RNAseq zu untersuchen. RNAseq wird mit Tröpfchenkultivierung kombiniert, da letztere es erlaubt experimentelle Bedingungen effizient zu replizieren und Kuktivierungsbedingungen auch geringstmöglich zu verändern. Ferner soll ein genetisches System etabliert werden das über Mutagenese-Screenings die Identifizierung von Genprodukten erlaubt die für lanthanoid-abhängigen Stoffwechsel unter methylotrophen und nicht-methylotrophen Bedingungen essentiell sind, besonders bezogen auf die Aufnahme und Verteilung. Cryo-Elektronenmikroskopie und Proteomik soll genutzt werden um die intra- und extrazelluläre Speicherung von Lanthanoiden besser zu verstehen. Ausgehend von öffentlich verfügbaren prokaryotischen Genomen und Metagenomen sollen sorgfältig recherchierte Datenbanken von Gene die in Beziehung mit lanthanoid-abhängigen Stoffwechsel stehen genutzt werden um einen biogeografischen und taxonomischen Katalog anzulegen um Aussagen über die Verbreitung dieser Gene treffen zu können. Ein besseres Verständnis über lanthanoid-abhängigen Stoffwechsel wird viele Türen öffnen. Zum Beispiel Anwendungen wie die biologische Wiedergewinnung dieser wertvollen Metalle unter Verbrauch von Methan und Methanol als billigen Ausgangsmaterialien ein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Joseph Cotruvo; Dr. N. Cecilia Martinez-Gomez; Dr. Elizabeth Skovran