Optische Eigenschaften von Mikroorganismen und Wahrnehmung der Lichtrichtung in der Phototaxis

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Jan Gerrit Korvink; Professorin Dr. Annegret Wilde
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390131350

Sonnenlicht ist die wichtigste Energiequelle für das Leben auf der Erde. Photosynthetische Cyanobakterien stellen die Vorfahren der Chloroplasten dar und sind bis heute sehr wichtige Primärproduzenten in fast allen Habitaten. Unser derzeitiges Verständnis der Physiologie und des Metabolismus der Cyanobakterien basiert vor allem auf Untersuchungen von im Labor kultivierten Zellsuspensionen. Darüberhinaus wurde in den letzten Jahren vor allem die Analyse der cyanobakteriellen Photosynthese und die Entwicklung biotechnologischer Anwendungen vorangetrieben. Wir haben im letzten Jahr mikrooptische Eigenschaften von Cyanobakterienzellen analysiert und die Relevanz dieser physikalischen Zelleigenschaften für die Wahrnehmung der Lichtrichtung in der Phototaxis dargestellt. Derartige optische Eigenschaften scheinen auch für andere biologische Prozesse wie z. B. die Optimierung der photosynthetischen Lichtsammlung in Chloroplasten von Bedeutung zu sein. Das runde Cyanobakterium Synechocystis 6803 kann sich mit Hilfe von Typ-IV-Pili auf Oberflächen in Richtung einer Lichtquelle oder davon weg bewegen. Dabei funktioniert die einzelne bakterielle Zelle als eine effiziente Mikrolinse, in dem sie das einfallende Licht in Form eines verhältnismäßig scharfen Lichtpunktes auf der gegenüberliegenden lichtabgewandten Seite der Zelle fokussiert. Dieser helle Lichtpunkt induziert lokal eine bisher nicht untersuchte Signaltransduktionskette, die dann die Bewegungsrichtung der Zellen in Abhängigkeit zur Lichtquelle kontrolliert. Unsere Vorarbeiten zu diesem Projekt, zeigen, dass mikrooptische Effekte nicht auf kugelige oder phototrophe Organismen beschränkt sind. Wir gehen davon aus, dass mikrooptische Eigenschaften von Zellen wichtige Auswirkungen auf Lichtsammlung, Interaktion mit der Umwelt und auf UV-induzierte Schädigungen haben können. Aus diesem Grund möchten wir mit diesem Projekt physikalische Eigenschaften von verschiedenen Cyanobakterien mit Hilfe neuer optischer Methoden charakterisieren und die zellulären Signaltransduktionswege vom Photorezeptormolekül zum Bewegungs-Motor aufdecken. Die Messung optischer Effekte im Größenbereich der Wellenlänge des sichtbaren Lichts erfordert spezielle physikalische Expertise. Aus diesem Grund haben wir hiermit ein stark interdisziplinäres Projekt entwickelt, in welches wir über zwei Arbeitsgruppen komplementäre physikalische und (photo)biologische Expertise zusammen bringen. Zunächst werden wir physikalische und biologische Methoden verwenden, um optische Eigenschaften sehr kleiner Zellen zu vermessen. In einem generellen Ansatz werden wir neue Wege entwickeln, um molekulare Reaktionen auf optische Stimulationen auf Einzelzellebene mit einer hohen optischen Auflösung beschreiben zu können. Dies wird die Voraussetzung für die Bildung eines umfassendes Modells zur Wahrnehmung der Lichtrichtung in einzelligen Organismen sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen