Genomics and cell biology of highly polyploidic, giant sulfur bacteria

• Applicant: Verena Carvalho, Ph.D.
• Subject Area: Metabolism, Biochemistry and Genetics of Microorganisms ; Evolutionary Cell and Developmental Biology (Zoology)
• Term: from 2012 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 226167356

Nach aktuellem Wissensstand hat die Evolution nur zwei Gruppen von Prokaryoten hervorgebracht, die zu einer extremen Zellgröße von mehreren hundert Mikrometern heranwachsen können – Symbionten in Doktorfischen (Epulopiscium fishelsonii) und große Schwefelbakterien (z.B. Thiomargarita namibiensis). Wissenschaftler sind seither fasziniert von diesen riesigen Bakterien, jedoch wurden bisher wenige Untersuchungen zu spezifischen, intrazellulären Anpassungsmechanismen gemacht, die die Ausbildung von so großen Zellen erklären können. Der bisher bekannteste Unterschied zwischen großen und „regulären“ Bakterienzellen ist, dass sich das aktive Zytoplasma ausschließlich in einer dünnen Schicht am äußeren Rand der großen Zellen befindet. Außerdem wurde kürzlich festgestellt, dass beide Organismengruppen eine große Anzahl von Nukleoiden, d.h. stark verdichtete Partikel aus Nukleinsäuren, besitzen, was darauf hindeutet, dass große Zellen noch weitere intrazelluläre Abweichungen im Vergleich zu „normal-großen“ Bakterien ausgebildet haben. In Epulopiscium-Zellen wurde festgestellt, dass sich hinter der großen Anzahl an Nukleoiden auch eine Genomkopienzahl von mehreren hundert tausend verbirgt. Diese enorme Anzahl von Genomkopien in einer einzelnen Bakterienzelle ist bisher beispiellos. Es wurde vermutet, dass die extreme Polyploidie eine gleichmäßige Versorgung von genetischer Information und eine lokale funktionelle Unabhängigkeit innnerhalb der großen Zelle erlaubt. Nun postuliere ich, dass diese extreme Polyploidie auch in den großen Schwefelbakterien existiert, was ich in diesem Projekt untersuchen möchte. Mit einer so hohen Kopienzahl geht auch die Frage nach der Genomkonservierung einher, und wird deshalb das Hauptaugenmerk dieses Projekts darstellen. Es werden detaillierte Sequenzvergleiche von ausgewählten Genen sowie ganzen Genomen durchgeführt, wobei nicht nur Einzelzellen sondern auch von Einzelzellen abgeschnittene Zellfragmente für die Sequenzierungen verwendet werden. Diese Technik erlaubt eine tiefgreifende Analyse der intergenomischen Sequenz-Heterogenität. Ein Seitenprojekt wird sich außerdem mit den kürzlich entdeckten Introns in den 16S rRNA-Genen der großen Schwefelbakterien befassen – das Gen, das als fundamentales Merkmal für phylogenetische und Diversitäts-Studien verwendet wird.

• DFG Programme: Research Fellowships
• International Connection: USA
• Hosts: Professorin Esther Angert, Ph.D.; Professor Dr. Andreas Teske