Molekulare Mechanismen der Kondensat-Membran Interaktion und wechselseitigen Umformung

• Antragsteller: Dr. Jaime Agudo-Canalejo; Professor Dr. Roland L. Knorr
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506366351

Membrangebundene Organellen gelten seit Jahrzehnten als die grundlegenden Zellkompartimente. Kürzlich wurde jedoch gezeigt, dass kondensierte biomolekulare Phasen (im Folgenden "Kondensate") ebenfalls zentrale Rollen in der zellulären Organisation spielen, die tiefgreifende funktionelle Auswirkungen haben. Kondensate sind dynamische Zellstrukturen, die schnell auf Veränderungen im zellulären Milieu reagieren können, da sie nicht von einer begrenzenden Membran umschlossen sind. Obwohl solche Kondensate häufig auch als "membranfreie Organellen" bezeichnet werden, gibt es erste Hinweise darauf, dass Kondensate und Membranen wechselwirken. Unsere Arbeit hat gezeigt, dass eine Kondensatbenetzung Membranen umformen kann und damit evolutionär konservierte physiologische Prozesse vermittelt werden. Beispiele sind: die Entwicklung von membrangebundenen Organellen während der Autophagie in Säugetieren und der pflanzlichen Embryonalentwicklung [Nature, 2021, 2020; PNAS 2021; JCB 2021]. In diesem SPP2191 Projekt werden wir die molekularen Grundlagen dieser völlig neuen Klasse von Kondensat-vermittelten Prozessen und ihre Auswirkungen auf die Organisation von Zellen untersuchen. Aufbauend auf unserer evidenzbasierten theoretischen Grundlage, sowie umfangreichen veröffentlichten und vorläufigen Arbeiten, werden wir eine detaillierte quantitative Beschreibung der Kondensat-Membran Interaktion erstellen. Dabei konzentrieren wir uns auf drei Forschungsbereiche: erstens, werden wir ein Phänotyp-basiertes Benetzungsscreening von Kondensaten entwickeln und validieren, der eine technisch vorteilhafte ebene Geometrie mit automatischen Bildanalysen kombiniert. Dieser Ansatz wird es uns ermöglichen, eine quantitative Benetzungsdatenbank im Hochdurchsatzverfahren aufzubauen. Zweitens, werden wir spezifische Kondensate und ihre Benetzungsbedingungen systematisch charakterisieren. Dazu werden wir gezielt die Kondensat- und Membranbiochemie beeinflussen um eine multidimensionale "Wetosom"-Datenbank zu erstellen, die Kondensatbenetzungen umfassend katalogisiert. Bei der Erstellung dieser Datenbank werden wir eng mit weiteren SPP2191-Gruppen zusammenarbeiten, um eine möglichst breite Palette von molekular verschiedenen Kondensaten zu analysieren. Zusätzlich werden unsere Untersuchungen eine leistungsstarke Kombination aus kontrollierten in-vitro Experimenten und theoretischen Kontinuumsmodellen auf physiologisch relevante Kondensat-Membrangeometrien anwenden, um damit die Generalisierbarkeit der Benetzungsphänome zu demonstrieren. Drittens, werden wir die Vorhersagekraft der Wetosom-Datenbank nutzen die molekulare Grundlage intrazellulärer Benetzungen umfassend zu entschlüsseln.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2191: Molekulare Mechanismen funktioneller Phasenseparation
• Internationaler Bezug: Großbritannien