Zellteilungsdynamik in Archaeen mit Zellwand

Archaeen, ursprünglich als in extremen Milieus leben Mikroorganismen betrachtet, haben sich unlängst als allgegenwärtige, ökologisch und evolutionär wichtige Prokaryoten (Organismen ohne Zellkern und andere Zellorganellen) entpuppt. Darüber hinaus leben methanproduzierende Archaeen im Magen-Darm-Trakt von Menschen und anderen Tieren, aber ihre Rolle dort ist kaum bekannt. Noch weniger ist bekannt, wie Archaeen wachsen und sich teilen, da sich die meisten zellbiologischen Forschungen auf Eukaryoten (Organismen, deren Zellen einen Zellkern haben; wie Tiere, Pflanzen und Pilze) und Bakterien konzentriert haben. Auf den ersten Blick ähneln sich Archaeen und Bakterien: beide sind kleine einzellige Prokaryonten, aber sie unterscheiden sich z. B. in den Mechanismen für die Übertragung genetischer Informationen und der Zusammensetzung ihrer Zellwand. Die Zellwand von Bakterien besteht aus Peptidoglykan (PG), Archaeen hingegen haben verschiedenartige Zellwände, denen PG fehlt. Nur zwei Ordnungen methanproduzierender Archaeen, Methanobacteriales und Methanopyrales, haben eine Zellwand aus Pseudopepdidoglykan (pPG), die strukturell der von Bakterien ähnelt, aber biochemisch anders aufgebaut ist. Um sich zu teilen, müssen Archaeen wachsen und ihre Zellwand einschnüren, was räumlich und zeitlich koordiniert werden muss. In Bakterien ist das wichtigste Zellteilungsprotein FtsZ, das einen Ring (Z-Ring) in der Teilungsebene bildet und mit vielen anderen Proteinen interagiert. Der Z-Ring ist durch das FtsA, ZipA oder SepF Protein in der Membran verankert und wird durch die Proteine MinC und MinD in der Zellmitte platziert. Bis auf FtsZ, SepF und MinD fehlen den Archaeen die meisten bakteriellen Zellteilungsproteine, was auf eine andere Zellteilungsmaschinerie in diesen Mikroben hindeutet. Kürzlich wurde gezeigt, dass der Z-Ring in dem mit dem Menschen assoziierten Methanobrevibacter smithii (Methanobacteriales) durch SepF verankert ist, aber strukturelle und fluoreszenzmikroskopische Daten zeigten eine andere FtsZ/SepF-Interaktion und Lokalisierung als bei Bakterien. Zusätzlich besitzt Methanopyrus kandleri (Methanopyrales) als einziges bekanntes Archaeon FtsA. Die Forschungshypothese dieser Arbeit ist, dass die Zellteilungsmaschinerie in Archaeen mit einer pPG-Zellwand eine andere ist als in Archaeen ohne pPG. Die Hauptforschungsfragen sind: Wie beeinflussen SepF und/oder FtsA die Dynamik von FtsZ? Sind die Min -Proteine für die Platzierung des Z-Rings verantwortlich? Welche Funktion und Lokalisierung haben SepF und FtsA während des Zellzyklus in M. kandleri? Zur Beantwortung dieser Fragen wird eine Kombination aus zellbiologischen und biophysikalischen Methoden, sowie hochauflösende Mikroskopie und evolutionäre Analyse eingesetzt. Dieses Projekt wird grundlegende Informationen über zelluläre Prozesse der Zellteilung in Archaeen mit einer pPG-Zellwand liefern, die sich an eine Vielzahl von Umgebungen angepasst haben, von heißen Quellen bis zum menschlichen Darm.