Schlüsselmechanismen der molekularen Signaltransduktion durch den sekundären Botenstoff c-di-GMP bei der bakteriellen Biofilmbildung

• Antragstellerin: Professorin Dr. Regine Hengge
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269737138

Bakterielle Biofilme besiedeln diverse Oberflächen und sind hochresistent gegen Antibiotika oder unser Immunsystem. Biofilm-Zellen umgeben sich mit einer selbst produzierten Matrix von sekretierten Proteinen, amyloiden Fasern (z.B. Curli-Fasern), Exopolysacchariden (z.B. Cellulose) und DNA, die die komplexe Mikro-Architektur und Morphology der Biofilme bestimmen. In E. coli wird die Synthese von Curli-Fasern und Cellulose durch den Stationärphasen-Sigmafaktor RpoS und den sekundären Botenstoff c-di-GMP kontrolliert. Letzterer wird von Diguanylatzyklasen (DGC, mit GGDEF-Domänen) synthetisiert und von spezifischen Phosphodiesterase (PDE, mit EAL-Domänen) abgebaut. Viele dieser DGCs und PDEs sind über N-terminale sensorische Domänen membranassoziiert und aktivitätskontrolliert.Viele Bakterien besitzen multiple GGDEF/EAL-Domänenproteine (29 in E. coli K-12), was zum Konzept 'lokal' wirkender c-di-GMP-Kontrollmodulen, basierend auf direkten hoch-spezifischen Protein-Protein-Kontakten, geführt hat. Mit YciR, dem ersten 'Trigger-Enzym' bei der Signaltransduktion durch bakterielle Sekundärbotenstoffe und einem Schlüsselschalterprotein für die Produktion von Curli und Cellulose, konnten wir den Mechanismus auf paradigmatische Weise zeigen: YciR ist zugleich (i) ein Regulator, der zwei Zielproteine durch direkte Interaktion inhibiert; (ii) eine PDE; und (iii) ein c-di-GMP wahrnehmendes Effektorprotein, da seine Bindung und Spaltung von c-di-GMP dazu führt, dass die Interaktion mit den Zielproteinen (einer DGC und einem Transkriptionsfaktor) gelockert wird (was zu Curli- und Cellulosesynthese führt). Das Projekt fokussiert auf molekulare Mechanismen, die zwei Schlüsselaspekten der Signaltransduktion durch c-di-GMP zugrunde liegen:1. 'Lokale' Signaltransduktion durch spezifische Protein-Protein-Kontakte von c-di-GMP-assoziierten 'Trigger-Enzymen': Hier soll die mögliche Rolle von YciR im Kontakt mit drei weiteren DGCs, sowie die molekulare Funktion von zwei weiteren PDEs, die im Kontext der Cellulosebiosynthese sowie direkt in der Transkriptionsregulation als Trigger-Enzyme wirken könnten, untersucht werden.2. Sensorische Eingangskontrolle in der Signaltransduktion durch c-diGMP: Hier sollen neue Umweltsignale, die in die Biofilmbildung eingehen, identifiziert und bestimmten DGCs und PDEs zugeordnet werden. Molekulare Mechanismen der Signalwahrnehmung und -verarbeitung durch spezifische N-terminale Sensordomänen sollen geklärt werden, wobei der Focus auf redox-regulierten PDEs und der multiplen Signalintegration durch DGCs und PDEs, die aus multiplen Domänen bestehen, liegt.Schließlich soll geklärt werden, wie diese molekularen Mechanismen in das gesamte regulatorische Netzwerk integriert sind, welches die Funktionalität von Biofilmen steuert. Da c-di-GMP nahezu ubiquitär die bakterielle Biofilmbildung steuert, sollte dieses Projekt auch neue Perspektiven auf Antibiofilm-Strategien und -wirkstoffen eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen