Selbstorganisation als Basis bakterieller chromosomaler Segregation

• Antragsteller: Dr. Sean Murray
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439535737

Replikation and Segregation von Chromosomen sind grundlegende Prozesse zellulären Lebens. Die Replikation bakterieller Chromosomen wird an einer dedizierten Stelle, dem origin oder ori, eingeleitet und schreitet bidirektional an beiden chromosomalen Armen entlang. In Escherichia coli und anderen Bakterien ist der ori spezifisch innerhalb der Zelle positioniert. In neu hervorgegangenen Tochterzellen befindet er sich in der Zellmitte, wo die Replikation initiiert wird; duplizierte ori werden anschließend auf gegenüber liegende ¼ der Zelle verteilt und verweilen dort für den Rest des Zellzyklus. Trotz ausgiebiger Untersuchungen zur Dynamik dieser Prozesse sind die zu Grunde liegenden Mechanismen bislang unbekannt.Hinsichtlich dieser Mechanismen haben wir vor Kurzem ein neuartiges Modell vorgestellt, welches auf Selbstorganisation der sogenannten SMC-Komplexe beruht, einer ubiquitären Familie von Proteinen, welche in die Organisation von Chromosomen involviert sind. MukBEF, der SMC-Komplex von E. coli, bildet dynamische Cluster innnerhalb der Zelle, die dem oben beschriebenen ori-Muster folgen. Basierend auf einem von uns entwickelten mathematischen Modell, welches auf stochastischer Musterbildung beruht, schlagen wir vor, dass MukBEF ein selbst-organisierendes und selbst-positionierendes System ist, dass den ori positioniert und segregiert. Simulationen zeigen, dass dies auf einer spezifischen, nicht-trivialen, Art der Interaktion zwischen MukBEF und ori beruht. Es ist diese spezifische Art der Interaktion, welche zur emergenten Systemeigenschaft der Selbst-Positionierung führt.In dem hier vorgeschlagenen Projekt wollen wir die biologischen und physikalischen Mechanismen zur Organisation des E. coli Chromosoms weiter aufklären. Ein Ziel besteht im systematischen quantitativen Vergleich von Ergebnissen unseres räumlich-zeitlichen stochastischen Modells mit experimentellen Daten. Hierfür werden wir einen neuen Bildanalyse- als auch einen auf einem verteilten Rechensystem ausgeführten Bayes-Inferenz-Algorithmus entwickeln. Dies wird einen Abgleich biophysikalischer Hypothesen mit experimentellen Daten und eine Erforschung der genauen Art der Interaktion zwischen MukBEF und ori ermöglichen. Zudem werden wir Positionierung und Interaktion zwischen MukBEF und einer anderen wichtigen genomischen Region, dem Replikationsterminator, untersuchen. Dieser spielt eine Rolle in der Determinierung der zukünftigen Teilungsstelle.Die Entwicklung des ersten quantitativen Modells der Chromosomen-Segregation in E. coli wird fundamentale biologische und physikalische Einsichten in einen grundlegenden Aspekt des bakteriellen Zellzyklus vermitteln. Zudem wird der Algorithmus für den Vergleich von experimentellen und mit dem stochastischen Modell simulierten Daten Anwendung in der Untersuchung weiterer zellbiologischer Prozesse finden. Das Modell an sich sollte auf starkes Interesse innerhalb der Forschergemeinschaft stoßen wird, welche sich mit Musterbildung befasst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen