Entschlüsselung des zytoskelettalen Netzwerks zur Mobilität und Positionierung bakterieller magnetischer Organellen: Neue Akteure und Funktionen.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Magnetospirillum gryphiswaldense synthetisiert membranumhüllte ferromagnetische Kristalle, sogenannte Magnetosomen. Diese magnetischen Organellen sind in der Zelle mit Hilfe des Adapterproteins MamJ an Filamenten des Aktin-ähnlichen Proteins MamK zu linearen Ketten aufgereiht. Durch diese Anordnung summieren sich die magnetischen Momente der einzelnen Nanomagnete und formen eine Art intrazelluläre Kompassnadel, die eine effiziente Navigation der Bakterien im Erdmagnetfeld erst ermöglicht. Wie bereits gezeigt wurde, spielt das dynamische MamK-Filament eine entscheidende Rolle bei der Verteilung der Magnetosomen während der Zellteilung, ebenso wie bei der Re-Lokalisierung der halbierten Magnetosomenketten vom Pol zur Zellmitte der Tochterzellen. Es war jedoch ein Rätsel, wodurch es gelingt, die lineare Magnetosomenkette in der spirillenförmigen Zelle von M. gryphiswaldense exakt parallel zur Motilitätsachse zu positionieren - eine wesentliche Voraussetzung für die optimale Funktion des Magnetrezeptors. Aufgrund der Arbeiten in diesem Projekt können wir diese Frage nun beantworten. Wir haben neuartige zelltopologische „Landmark“-Proteine identifiziert und funktional charakterisiert, die Teil des komplexen cytoskelettären Netzwerks sind, das die Mobilität und Positionierung der Magnetosomen steuert: die Strukturproteine MamY (Nature background) und CcfM (UBT Pressemitteilung). MamY bildet ein starres mechanisches Gerüst aus, das die Zelle entlang der inneren positiven Membran-Krümmung durchzieht (geodätische Achse). Wir zeigen, dass infolge der Interaktion von MamY mit MamK/J die Magnetosomenkette perfekt parallel zur Motilitätsachse der Zelle verankert wird, und schlagen vor, MamY, K und J als Komponenten eines speziellen Magnetoskeletts zusammenzufassen. CcfM wurde als erstes „Cytolinker“ Protein identifiziert, das die Komponenten des Magnetoskeletts (MamY, K, J) und des eigentlichen Cytoskeletts (MreB) verbindet. Es polymerisiert in Abhängigkeit von der Membrankrümmung zu einem von Pol zu Pol reichenden flexiblen Gerüst und koppelt die Positionierung magnetischer Organellen an die Regulation der Ausbildung einer helikalen Zellform.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2019. A gradient forming MipZ protein mediating the control of cell division in the magnetotactic bacterium Magnetospirillum gryphiswaldense. Mol Microbiol
Toro-Nahuelpan, M., L. Corrales-Guerrero, T. Zwiener, M. Osorio-Valeriano, F. D. Müller, J. M. Plitzko, M. Bramkamp, M. Thanbichler, and D. Schüler
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2019. MamY is a membrane-bound protein that aligns magnetosomes and the motility axis of helical magnetotactic bacteria. Nature Microbiol 4(11)
Toro-Nahuelpan, M., G. Giacomelli, O. Raschdorf, S. Borg, J. M. Plitzko, M. Bramkamp, D. Schüler, and F. D. Müller
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2020. A bacterial cytolinker couples positioning of magnetic organelles to cell shape control. Proc. Natl. Acad. Sci. USA
Pfeiffer, D., M. Toro-Nahuelpan, R.P. Awal, F.D. Müller, M. Bramkamp, J.M. Plitzko, and D. Schüler
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2020. A compass to boost navigation - cell biology of bacterial magnetotaxis. J Bacteriol
Müller, F., D. Schüler, and D. Pfeiffer
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2020. Biosynthesis and intracellular organization of magnetosomes in magnetotactic bacteria. In: D. Jendrossek (ed.) Microbiology monographs, vol. 34: Bacterial organelles and organelle-like inclusions. Springer, Heidelberg, p. 53-70
Schüler, D. and F.D. Müller
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2020. Genome-wide identification of essential and auxiliary gene sets for magnetosome biosynthesis in Magnetospirillum gryphiswaldense. mSystems
Silva, K.T., M. Schüler, F. Mickoleit, T. Zwiener, F.D. Müller, R.P. Awal, A. Weig, A. Brachmann, R. Uebe, and D. Schüler
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2020. Quantifying the benefit of a dedicated “magnetoskeleton” in bacterial magnetotaxis by live-cell motility tracking and soft agar swimming assay. Appl Environ Microbiol 86:e01976-19
Pfeiffer D, and D. Schüler
