Das Netzwerk von zwei circadianen Oszillatoren in einem Cyanobakterium

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Ilka Maria Axmann; Professorin Dr. Annegret Wilde
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 573342561

Jeden Tag vollzieht die Erde eine Drehung um ihre Achse, wodurch ein Zyklus von Tag und Nacht entsteht. Sowohl Pflanzen als auch Tiere können diesen Zyklus durch eine interne, genetisch programmierte Uhr vorhersehen. Auch Mikroorganismen, die sich schneller als einmal pro Tag vermehren können, besitzen eine innere Uhr. Photosynthetische Cyanobakterien verfügen über eine solche biologische, zirkadiane Uhr, die es ihnen ermöglicht, den Übergang zwischen Tag und Nacht vorherzusagen und ihre Aktivitäten entsprechend zu synchronisieren. In Cyanobakterien besteht die Uhr aus drei verschiedenen Kai-Proteinen. KaiA stimuliert das zentrale Protein KaiC, indem es dessen Autophosphorylierung fördert, während KaiB die Dephosphorylierung von KaiC stimuliert. Dieser Prozess der Phosphorylierung und Dephosphorylierung von KaiC reguliert den zirkadianen Rhythmus der zellulären Aktivitäten. Mehrere Cyanobakterien enthalten jedoch mehr als ein Set von Kai-Proteinen, und ihre Funktionen sind noch unbekannt. Insbesondere das Modell-Cyanobakterium, das wir in diesem Antrag untersuchen werden, besitzt neben einem kanonischen kaiABC-Gencluster zwei zusätzliche kaiB- und kaiC-Homologe. Vor kurzem haben wir ein neuartiges KaiA-Homolog entdeckt und gezeigt, dass zwei vollständige KaiABC-Systeme, die miteinander verbunden sind, in einer einzigen Zelle funktionieren. Wir stellen die Hypothese auf, dass die beiden Oszillatorsysteme mit unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsfaktoren verbunden sind, die wir zu identifizieren beabsichtigen. Mit Hilfe der Rückstreusignale von Bakterienkulturen und der Oszillation von mikroskopischen Parametern einzelner Zellen haben wir neue Methoden entwickelt, mit denen sich zirkadiane Rhythmen leicht nachweisen lassen. Wir werden diese Analysewerkzeuge nutzen, um die Eingangs- und Ausgangsfaktoren zu untersuchen, die die Oszillatoren mit der Umwelt verbinden und Zeitinformationen in zelluläre Aktivitäten übertragen. Wir werden feststellen, ob es spezifische Elemente gibt, die nur mit einem Oszillator interagieren, oder ob es gemeinsame Eingangs- und Ausgangswege gibt. Das Screening mit Hilfe von Rückstreumessungen und Mikrofluidik wird weitere Informationen über die Synchronisation und das Entrainment von Zeitsteuerungssystemen liefern. Unser Ziel ist es, ein mechanistisches Verständnis davon zu erlangen, wie beide Oszillatorsysteme innerhalb einer Zelle interagieren und wie sie zirkadiane Rhythmen in Abhängigkeit von Umweltfaktoren regulieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen