Jahrbuchbeiträge

Die Natur nutzt antimikrobielle Peptide als Breitbandantibiotika: Sie bilden die erste Verteidigungslinie gegen eindringende Krankheitserreger. Bakterien wiederum entwickeln fortlaufend neue Fähigkeiten, dieser Abwehr zu entkommen. Unsere Forschungsgruppe fand heraus, wie ein kleines Protein Bakterien in die Lage versetzt, die antimikrobiellen Peptide immer wieder frühzeitig zu erkennen und sich somit effektiv zu verteidigen. Unsere Arbeit liefert eine molekulare Grundlage für die Entwicklung neuer Peptid-basierter Wirkstoffe.

Das zentrale Enzym der Photosynthese, Rubisco, ist der am häufigsten vorkommende Biokatalysator der Erde. Aber wie entwickelte sich Rubisco, und wie passte das Enzym sich den Veränderungen im Laufe der Erdgeschichte an? Durch Rekonstruktion Milliarden Jahre alter Enzyme gelang es, eine der wichtigsten Anpassungen der frühen Photosynthese aufzuklären. Unsere Ergebnisse liefern nicht nur Erkenntnisse über die Evolution der modernen Photosynthese, sondern auch neue Ideen für ihre synthetische Verbesserung.

Ustilago maydis ist einer von zahlreichen pilzlichen Krankheitserregern, die jährlich weltweit große Mengen an Getreide vernichten. Seine hochspezifische Interaktion mit der Wirtspflanze Mais ist ein wertvolles Modellsystem zur Erforschung molekularer Details der Pilz-Pflanze-Interaktionen. Wir fanden einen pilzlichen Komplex aus sieben Proteinen, der eine essenzielle Rolle bei der Krankheitsentstehung spielt. Unsere Entdeckung ermöglicht potenziell neuartige Ansätze im Pflanzenschutz.

Bakterien, beispielsweise Salmonellen oder Yersinien, schießen mit winzigen „Injektionsnadeln“ Proteine in ihre Wirtszellen. Schon seit längerem arbeiten Forscherinnen und Forscher daran, mithilfe eines solchen bakteriellen Injektionsapparates ausgewählte Proteine in Eukaryonten-Zellen einzuschleusen. Der Einbau eines optogenetischen Schalters ermöglicht es jetzt, das Injektionssystem mittels Lichtreizen zu steuern. Dies ermöglicht den zielgenauen Einsatz in biotechnologischen oder medizinischen Anwendungen.

Glycolsäure, ein direktes Nebenprodukt der Fotosynthese, ist eine der wichtigsten Verbindungen im Kohlenstoffzyklus der Ozeane. Marine Bakterien wandeln den darin enthaltenen Kohlenstoff teilweise wieder in Kohlendioxid um, doch sein genaues Schicksal blieb bislang unbekannt. Wie sich nun zeigte, stellt der lang vergessene BHA-Zyklus den bedeutendsten Abbauweg für Glycolsäure weltweit dar. Unsere eingehende, multidisziplinäre Analyse dieses Stoffwechselweges ermöglicht eine Neubewertung der globalen Kohlendioxidbilanz.

Hochauflösende Einzelmolekül-Mikroskopie eröffnet ungeahnte Einblicke in lebende Zellen, sie ist jedoch in der Praxis  oft noch mit Schwierigkeiten verbunden. Durch die Verbesserung einer bedeutenden Fluorophoregruppe konnten wir die Schädlichkeit des Verfahrens für die zu untersuchenden Zellen stark reduzieren und gleichzeitig eine neuartige, aberrationsfreie Mehrfarbenstrategie etablieren. Diese ermöglicht unter anderem die vierdimensionale Rekonstruktion von Multi-Proteinkomplexen wie dem Kinetochor von Schizosaccharomyces pombe.

Methan ist ein Endprodukt des anaeroben Abbaus von organischem Material und ein starkes Treibhausgas. Etwa die Hälfte der weltweiten Methanemissionen wird von methanogenen Archaeen durchgeführt. Wir interessieren uns für die an der hydrogenotrophen Methanogenese beteiligten Enzyme und berichten über die Kristallstrukturen der Formyl-Methanofuran-Dehydrogenase und des Heterodisulfid-Reduktase/Hydrogenase-Komplexes. Diese Enzymkomplexe sind an den sequentiellen Reaktionen der Ferredoxin-Reduktion und CO₂-Reduktion/Fixierung im methanogenen Stoffwechselweg beteiligt.

Die Umwandlung des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid (CO₂) in organische Verbindungen ist ein Schlüsselprozess im globalen Kohlenstoffkreislauf. In den letzten Jahren wurden mehrere neue Stoffwechselwege und Enzyme zur CO₂-Bindung in Mikroorganismen entdeckt. Parallel zu diesen Entdeckungen wurden Ansätze vorangetrieben, mit Hilfe synthetischer Biologie künstliche Stoffwechselwege zur Kohlenstoff-Fixierung zu realisieren, die effizienter als die natürlich existierenden Stoffwechselwege sind. Die synthetische CO₂-Fixierung könnte neue Anwendungen in Bio- und Nanotechnologie ermöglichen.

Viele bakterielle Spezies besiedeln Oberflächen und bilden dicht gepackte Gemeinschaften, die als Biofilme bezeichnet werden. Solche Biofilme sind resistent gegen Antibiotika und machen einen Großteil der globalen bakteriellen Biomasse aus. Über den Entstehungsprozess von Biofilmen ist bisher nur wenig bekannt. Während des Prozesses, der mit der Oberflächenhaftung einer einzigen Zelle beginnt und nach vielen Zellteilungen zur Bildung von turmförmigen Strukturen führt, ändert sich die Biofilmarchitektur in einigen kritischen Phasen dramatisch, wie kürzlich entdeckt wurde.

In Clostridien ist die exergone Reduktion von Crotonyl-CoA zu Butyryl-CoA mit NADH an die endergone Reduktion von Ferredoxin mit NADH gekoppelt. Der Prozess, Elektronenbifurkation genannt, wird von Butyryl-CoA-Dehydrogenase (Bcd) und einem Elektronen transferierenden Flavoprotein (Etf), das zwei FAD enthält, katalysiert. Diese und ähnliche Systeme sind in anaeroben Bakterien und Archaeen weit verbreitet. Sie reduzieren Ferredoxin zur Bildung von H₂, zur Erzeugung von ΔµNa⁺ mittels Ferredoxin-NAD Reduktase (Rnf) und zur Reduktion von CO₂ in der Aceto- und Methanogenese.

Wasserstoff ist ein Spurengas in der Atmosphäre, das überwiegend im Boden abgebaut wird. Bereits in den 1970er-Jahren war klar, dass es sich bei dem Abbauprozess um eine biologische Aktivität handeln muss. Es dauerte jedoch weitere 40 Jahre, bis der Abbauprozess aufgeklärt werden konnte. Heute wissen wir, dass für den Abbau des atmosphärischen Wasserstoffs Nickel-Eisen-Hydrogenasen der Gruppe 5 verantwortlich sind, die fast ausschließlich in den in Böden weitverbreiteten Actinobakterien, zum Beispiel Streptomyces oder Mycobacterium, vorkommen.

Methan (CH₄) ist ein wichtiges Zwischenprodukt im globalen Kohlenstoffkreislauf. Pro Jahr wird etwa 1 Gt Methan aus Biomasse gebildet und weiter zu CO₂ oxidiert. An der Bildung sind vor allem anaerobe Mikroorganismen beteiligt, während an der Oxidation sowohl anaerobe als auch aerobe Mikroorganismen mitwirken. In der Atmosphäre wird Methan, wo es als Treibhausgas wirkt, hauptsächlich durch photochemische Oxidation remineralisiert. Die Untersuchungen zur Biochemie des Methan-Zyklus haben immer wieder zu neuen Entdeckungen geführt. Über zwei kürzlich gemachte Entdeckungen wird hier berichtet.

Eisen-Schwefel (Fe/S) Cluster dienen als Co-Faktoren von Proteinen mit Funktionen in der Enzymkatalyse, dem Elektronentransport und der Regulation der Genexpression. Die Synthese eines Fe/S Clusters und dessen Insertion in Zielproteine ist ein komplizierter Prozess, der in Eukaryoten konserviert ist und mehr als 30 Proteine in Mitochondrien und Cytosol benötigt. Diese Komponenten wurden in ihrer molekularen Funktion in vivo und in vitro untersucht, und ein mechanistisches Modell der Fe/S Proteinbiogenese wurde erstellt. Beim Menschen führen Fehlfunktionen in diesem Prozess zu Erkrankungen.

Wasserstoff (H₂) spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Hydrogenasen - H₂ produzierende und nutzende Enzyme - sind am Umsatz von H₂ in biologischen Systemen entscheidend beteiligt. Drei Arten von Hydrogenasen sind bisher bekannt: [NiFe]-, [FeFe]- und [Fe]-Hydrogenasen. [Fe]-Hydrogenasen sind Bestandteil der Methanogenese in hydrogenotrophen methanogenen Archaebakterien. Sie enthalten einen speziellen Eisen-Guanylylpyridinol-(FeGP) Kofaktor. Die Struktur und Funktion des Enzyms und des FeGP-Kofaktors sowie dessen Biosynthese wurden eingehend untersucht.

Eine Reihe von Bakterienspezies ist beweglich und fast alle sind in der Lage, sessile Gemeinschaften, so genannte Biofilme, zu bilden. Beide Fähigkeiten sind wichtig für das Überleben und eine erfolgreiche Ausbreitung in ihrer natürlichen Umgebung. Anhand von Spezies des Boden- und Sedimentbakteriums Shewanella wird untersucht, wie diese Organismen Motilität und Biofilmbildung regulieren und sich damit den Umwelteinflüssen anzupassen vermögen.

Dem bloßen Auge verborgen ereignet sich ein Kräftemessen einerseits zwischen Bakterien und Archaeen und andererseits zwischen Viren und anderen mobilen genetischen Elementen. Dieser Kampf hinterlässt Spuren in den jeweiligen Genomen und kann so in Anbetracht der Ko-Evolution beider Parteien nachvollzogen werden. Eines der antiviralen Verteidigungsysteme von Bakterien, das CRISPR-System, beinhaltet Virenstücke im Genom, die die Geschichte der abgewehrten Angriffe darlegen. Ein weiterer Hinweis ist die Trennung von transfer-RNA-Genen, die Viren nutzen, um sich in das Wirtsgenom zu integrieren.

Erforscht wird, wie neue Pathogene entstehen und wie sie sich an neue Umgebungen und Wirte anpassen. Untersucht werden die evolutionären Prozesse im Verlauf der Artbildung mit Hilfe von Genom-Vergleichen verwandter, Gras-befallender pilzlicher Erreger. Im Gegensatz zu ihren wild lebenden Verwandten, kommt es bei Nutzgräsern (Getreide) zu einer schnelleren Etablierung von für deren Pathogene vorteilhaften Mutationen. Die Analyse von über 9500 Genen führte zur Identifizierung derjenigen Merkmale, die für die Wirtsspezialisierung von Pathogenen von entscheidender Rolle sein könnten.

Vertreter der dritten Domäne des Lebens, die Archaeen, besitzen eine Reihe verschiedenster Zelloberflächenstrukturen, die in ihrem Aufbau und ihrer Funktion bakteriellen Typ IV-Pili ähneln. Typ IV-Pili spielen eine große Rolle bei Motilität über und Anheftung an Oberflächen, beim DNA-Transfer und bei der Invasion eukaryotischer Wirtsorganismen. Da archaeale Filamente aus einem minimalen Satz von Untereinheiten aufgebaut werden können, vereinfacht dies die Aufklärung des Assemblierungsmechanismus in Archaeen und ähnlichen oder sogar komplexeren Systemen von Bakterien.

Der Brandpilz Ustilago maydis ist Verursacher des Maisbeulenbrandes. Nach Infektion unterdrückt der Pilz die Abwehr der Pflanze, was die biotrophe Entwicklung des Pilzes ermöglicht. In Abwesenheit des von U. maydis sekretierten Effektorproteins Pep1 bleibt diese Unterdrückung der Pflanzenabwehr allerdings aus; die Infektion wird erfolgreich abgewehrt. Pep1 stellt demnach einen entscheidenden Faktor für die Kompatibilität zwischen Wirt und Pathogen dar. Die Aufklärung der Pep1-Funktion wird grundlegend zum besseren Verständnis von biotrophen Pilz-Pflanze- Interaktionen beitragen.

In den letzten Jahren wurden im Verlauf der Untersuchung zellulärer Organisation bei Bakterien große Fortschritte gemacht. Es stellte sich heraus, dass Bakterien ähnlich wie Eukaryonten komplexe regulatorische Mechanismen besitzen, um molekulare Prozesse in ihrem Inneren räumlich und zeitlich aufeinander abzustimmen. Die Funktion solcher Systeme soll in diesem Bericht am Beispiel der Koordination von Chromosomensegregation und Zellteilung in Caulobacter crescentus veranschaulicht werden.

Das Bakterium Myxococcus xanthus zeigt multizelluläres Verhalten: In nährstofflimitierter Umgebung durchlaufen die Zellen eine Entwicklung zur Bildung sporengefüllter Fruchtkörper. Die Regulation dieses Programms umfasst die Integration intra- und interzellulärer Signale sowie die Koordination verschiedener Zellgruppen. Die Steuerung beinhaltet ungewöhnliche Signalübertragungssysteme, die multiple Signale integrieren.

Die sexuelle Entwicklung des phytopathogenen Pilzes Ustilago maydis wird über die Paarungstyp-Loci a und b bestimmt. Die a2-Locus-Gene lga2 und rga2 kodieren mitochondriale Proteine, deren Expression an den sexuellen Zyklus gekoppelt ist. Diese Proteine interferieren mit mitochondrialer Integrität und pathogener Entwicklung in der Abwesenheit des mitochondrialen Proteins Mrb1, das ein Mitglied der p32-Familie ist. Lga2 wirkt mitochondrialer Fusion entgegen und könnte mit Rga2 eine Rolle in der mitochondrialen Vererbung spielen.

Denitrifizierende Mikroorganismen spielen eine wichtige Rolle im globalen Stickstoffkreislauf. Die Denitrifikation ist einer der Hauptprozesse innerhalb dieses Kreislaufs und löst durch die Produktion von Treibhausgasen klimatische Effekte aus. Neue Erkenntnisse über Denitrifiziererpopulationen wurden auf dem Gebiet der mikrobiellen Ökologie gewonnen. Sie sind die Grundlage, Beziehungen zwischen Struktur und Funktion von Denitrifiziererpopulationen und den Einfluss von Umweltparametern auf die Entwicklung und Aktivität dieser Gemeinschaften in natürlichen Habitaten zu verstehen.

Das Maispathogen Ustilago maydis durchläuft während einer Infektion eine Reihe von morphologischen Veränderungen, die als einfache Entwicklungsprogramme angesehen werden können. Die Ausbildung eines unipolar wachsenden, infektiösen Filaments ist hierbei ein wichtiger Schritt. Um den Einfluss von RNA-bindenden Proteinen auf solche Entwicklungsprozesse zu untersuchen, wurden Mitglieder dieser Proteinklasse anhand von Sequenzähnlichkeiten zu bekannten RNA-bindenden Domänen identifiziert. Für 25 ausgewählte Kandidaten wurden Gendeletions-Stämme hergestellt und deren Pathogenität getestet. Im Fall von rrm4, ein Gen, das ein Protein mit drei N-terminalen RNA recognition motifs (RRM) und einer C-terminalen Proteininteraktionsdomäne kodiert, führt die Deletion zu vermindertem filamentösen Wachstum und reduzierter Virulenz: rrm4-Deletionsstämme bilden kurze, bipolar wachsende Filamente. Subzelluläre Lokalisation von Rrm4 in vivo zeigte, dass Rrm4 Partikel bildet, die sich bidirektional entlang von Mikrotubuli bewegen. Weitere Mutationsanalysen der verschiedenen Proteindomänen in Rrm4 ergaben, dass die N-terminalen RNA-Kontaktregionen RRM1 und RRM2 vermutlich für die Beladung der Partikel benötigt werden, wohingegen die C-terminale Proteininteraktionsdomäne für die Partikelbildung essenziell ist. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass Rrm4-Partikel RNA vom Zellkern zu den Zellpolen transportieren und dass dieser Prozess für das unipolare Spitzenwachstum der infektiösen Hyphe entscheidend ist. Eine Beteiligung von RNA-Langstreckentransport entlang des Mikrotubuli-Zytoskeletts ist bereits aus höheren Eukaryonten bekannt, z. B. bei der Embryonalentwicklung oder der Signalweiterleitung in Neuronen. Unsere Arbeiten an U. maydis sind das erste Beispiel für derartige RNA-Transportprozesse in Mikroorganismen. Wahrscheinlich ist das zugrunde liegende Konzept konservierter als bislang angenommen.

Bakterienzellen sind in der Lage, mittels interzellulärer Signalmoleküle miteinander zu kommunizieren. In den meisten Fällen sind diese Signale kleine, diffusionsfähige Moleküle, die Teil eines Kommunikationssystems sind, das den Bakterien hilft, ihre Populationsgröße abzuschätzen. Untersuchungen zur Bildung der multizellulären, mit Sporen gefüllten Fruchtkörper in Myxococcus xanthus zeigten hingegen ein einzigartiges interzelluläres Kommunikationssystem, bei dem ein nicht diffusionsfähiges, mit der Zelloberfläche assoziiertes 17-kDa-Protein als Signalmolekül fungiert. Dieses Signalmolekül ist maßgeschneidert, um die sich langsam bewegenden M. xanthus-Zellen in die Fruchtkörper zu führen und die beiden zeitlich und räumlich getrennten morphogenetischen Ereignisse, Aggregation und Sporulation, während der Fruchtkörperbildung zu koordinieren.

Die Assoziationen von Insekten mit Mikroorganismen stehen oft im Zusammenhang mit einer nährstoffarmen oder schwerverdaulichen Nahrung. Vieles deutet darauf hin, dass die Symbionten Stoffwechselleistungen bereitstellen, welche dem Wirt nicht zur Verfügung stehen. So ist die Mikrobiota des Termitendarms am Celluloseabbau beteiligt und spielt wichtige Rollen bei der weiteren Verdauung und im Stickstoffhaushalt. Gleichzeitig sind die hochstrukturierten mikrobiellen Lebensgemeinschaften hervorragende Modellsysteme für das Verständnis grundsätzlicher Probleme der mikrobiellen Ökologie.