Mikroevolution der Toxinsynthese bei Cyanobakterien

Cyanobakterien (Blaualgen) kommen in Gewässern häufig vor und zeichnen sich durch eine enorme Vielfalt in der Synthese bioaktiver Substanzen aus. Einzelne Isolate aus einer Wasserprobe variieren qualitativ und quantitativ bezüglich ihres Gehalts an Sekundär-metaboliten, können im mikroskopischen Bild aber nicht voneinander unterschieden werden. Es gibt praktisch keine Information über die Mechanismen und die Prozesse, die zu einer Rekombination von Synthesewegen für Sekundärmetaboliten führen. Jüngste Ergebnisse des Projekts FWF15709 zeigten, dass Mutationen, z.B. die Insertion ganzer Genregionen innerhalb der für die Synthese des toxischen Peptids Microcystin (MC) verantwortlichen Gene (mcy) entweder mit der Synthese spezifischer Strukturvarianten oder der Inaktivierung des gesamten mcy Genclusters verbunden sind. Weiter konnten einzelne Strukturvarianten nur bei Vertretern aus bestimmten Gewässern beobachtet werden. Die Ziele sind (i) herauszufinden, ob trotz der theoretisch unbegrenzten Verbreitung bei Mikro-organismen eine Auseinanderentwicklung der Synthesewege für Microcystin zwischen räumlich getrennten Populationen möglich ist; (ii) die Hypothese zu testen, dass die relativ hohe Abundanz von Genotypen mit DNA Umstrukturierungen und Mutationen durch Transposable Elemente erklärt werden kann; (iii) zwischen Mutationen, die durch Prozesse wie Genverlust und Genabbau bedingt sind und Mutationen, die durch Transposable Elemente bedingt sind, zu unterscheiden; (iv) die natürliche Variationsbreite in der Häufigkeit bestimmter Mutationen im Vergleich zur ungeklärten Inaktivierung der MC Synthese herauszufinden; (v) die funktionellen Konsequenzen der Mutationen mittels Detektion der MC synthetase zu analysieren. Für diesen Zweck soll mit Hilfe von modernen quantitativen DNA-Analyse Techniken (http://science.orf.at/science/news/96757 ) die saisonale Häufigkeit von neun verschiedenen DNA Umstrukturierungen und Mutationen in Populationen des Cyanobakteriums Planktothrix in zehn Seen der Alpenregion sowie vier Zuflüssen bestimmt und bezüglich Umweltfaktoren statistisch ausgewertet werden. Die benachbarten Genregionen der einzelnen Mutationen werden sowohl in Freilandproben als auch in Isolaten genetisch untersucht und phylogenetisch hinsichtlich ihrer Genese bzw. auf Hinweise für Genabbau analysiert. Die Translation der mcy Gene soll durch den immunologischen Nachweis der für die MC Synthese verantwortlichen Enzyme untersucht werden. Das Projekt verbindet molekulare Erkenntnisse mit ökologischer Forschung und liefert Einblicke in die Mechanismen, die die beeindruckende Vielfalt des Sekundärstoffwechsels auf molekularer und ökologischer Ebene fördern.

Cyanobakterien (Blaualgen) kommen in Gewässern häufig vor und zeichnen sich durch eine enorme Vielfalt in der Synthese bioaktiver Substanzen aus. Einzelne Isolate aus einer Wasserprobe variieren qualitativ und quantitativ bezüglich ihres Gehalts an Sekundär-metaboliten, können im mikroskopischen Bild aber nicht voneinander unterschieden werden. Es gibt praktisch keine Information über die Mechanismen und die Prozesse, die zu einer Rekombination von Synthesewegen für Sekundärmetaboliten führen. Jüngste Ergebnisse des Projekts FWF15709 zeigten, dass Mutationen, z.B. die Insertion ganzer Genregionen innerhalb der für die Synthese des toxischen Peptids Microcystin (MC) verantwortlichen Gene (mcy) entweder mit der Synthese spezifischer Strukturvarianten oder der Inaktivierung des gesamten mcy Genclusters verbunden sind. Weiter konnten einzelne Strukturvarianten nur bei Vertretern aus bestimmten Gewässern beobachtet werden. Die Ziele sind 1. herauszufinden, ob trotz der theoretisch unbegrenzten Verbreitung bei Mikro-organismen eine Auseinanderentwicklung der Synthesewege für Microcystin zwischen räumlich getrennten Populationen möglich ist; 2. die Hypothese zu testen, dass die relativ hohe Abundanz von Genotypen mit DNA Umstrukturierungen und Mutationen durch Transposable Elemente erklärt werden kann; 3. zwischen Mutationen, die durch Prozesse wie Genverlust und Genabbau bedingt sind und Mutationen, die durch Transposable Elemente bedingt sind, zu unterscheiden; 4. die natürliche Variationsbreite in der Häufigkeit bestimmter Mutationen im Vergleich zur ungeklärten Inaktivierung der MC Synthese herauszufinden; 5. die funktionellen Konsequenzen der Mutationen mittels Detektion der MC synthetase zu analysieren. Für diesen Zweck soll mit Hilfe von modernen quantitativen DNA-Analyse Techniken (http://science.orf.at/science/news/96757) die saisonale Häufigkeit von neun verschiedenen DNA Umstrukturierungen und Mutationen in Populationen des Cyanobakteriums Planktothrix in zehn Seen der Alpenregion sowie vier Zuflüssen bestimmt und bezüglich Umweltfaktoren statistisch ausgewertet werden. Die benachbarten Genregionen der einzelnen Mutationen werden sowohl in Freilandproben als auch in Isolaten genetisch untersucht und phylogenetisch hinsichtlich ihrer Genese bzw. auf Hinweise für Genabbau analysiert. Die Translation der mcy Gene soll durch den immunologischen Nachweis der für die MC Synthese verantwortlichen Enzyme untersucht werden. Das Projekt verbindet molekulare Erkenntnisse mit ökologischer Forschung und liefert Einblicke in die Mechanismen, die die beeindruckende Vielfalt des Sekundärstoffwechsels auf molekularer und ökologischer Ebene fördern.