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Projekt
Molekulare Mechanismen und Vorteile phänotypischer Heterogenität in Sinorhizobium meliloti Populationen
Antragstellerin
Professorin Dr. Anke Becker
Fachliche Zuordnung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Förderung
Förderung von 2012 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 218318381
Phänotypische Heterogenität ist ein bei Mikroorganismen weit verbreitetes Phänomen. Kolonien des Alphaproteobakteriums Sinorhizobium meliloti bestehen aus einer Subpopulation, die Exopolysaccharid (EPS)-Biosynthesegene stark exprimiert, während der andere Teil der Population diese Gene nur schwach oder gar nicht exprimiert. Obwohl die Regulation der EPS-Biosynthese gut untersucht ist (so ist Quorum sensing ein wichtiger Faktor), sind Faktoren und Mechanismen, die zu dieser Heterogenität führen, sowie ihre biologische Bedeutung noch weitgehend unbekannt. Wir haben einen interdisziplinären Ansatz verfolgt, der mathematische Modellierung, gentechnische Manipulation, Lebendzellmikroskopie und Datenauswertung verbindet. Dieser nutzt ein Triple-Reporterkonstrukt, das basierend auf drei kompatiblen Fluoreszenzproteinen die parallele Analyse der Aktivitäten dreier Promotoren auf Einzelzellebene in einer wachsenden Kolonie ermöglicht. Hierbei konnten einzelne Individuen bezüglich ihrer Abstammung und der Aktivität der Testpromotoren systematisch charakterisiert werden. Jedes Individuum wurde bezüglich der EPS-Produktion als non-contributor, weak contributor, oder strong contributor klassifiziert.Basierend auf diesen in der ersten Förderphase etablierten experimentellen und theoretischen Ansätze beschreiben wir ein Arbeitsprogramm, das sich der Frage widmet, wie Heterogenität im regulatorischen Netzwerk der EPS-Biosynthese entsteht. Es werden Mechanismen untersucht, die Heterogenität generieren können, wie z.B. Hemimethylierung in Promotorregionen und Stressantworten. Des weiteren werden Mechanismen zur Amplifikation heterogener Signale analysiert, wie z.B. positive Feedback-Regulation. Solche Mechanismen sind Bestandteil der Regulation der EPS-Produktion in S. meliloti und werden in charakteristische theoretische Modelle integriert, deren Voraussagen experimentell getestet werden sollen. Ein weiterer Fokus liegt auf der Frage der biologischen Bedeutung der phänotypischen Heterogenität. Nicht produzierende EPS-Mutanten (non-contributor) zeichnen sich durch schnelleres Wachstum und erhöhte Motilität aus. Dagegen ist der Wildtyp (contributor) durch eine höhere Überlebensrate unter ungünstigen physikalischen Umweltbedingungen im Vorteil. In der zweiten Förderperiode planen wir die Etablierung einer Methode zur Selektion von einzelnen Subpopulationen durch Fusion von EPS-Biosynthesegen-Promotoren mit positiven und negativen Selektionskassetten. Dieser Ansatz ermöglicht die konditionale Anreicherung einzelner Subpopulationen und die darauffolgende Charakterisierung der contributor und non-contributor Klassen. In einem weiteren Projektteil entwickeln wir ein Modell, das untersucht, warum im Kontext der Evolution Kooperativität in S. meliloti Populationen (der contributor Phänotyp) bevorzugt wird.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Mitverantwortlich
Matthew McIntosh, Ph.D.
