Diversität verschiedener CRISPR-Cas-Systeme am Beispiel des Cyanobakteriums Synechocystis

Leitung: Wolfgang R. Hess

Mitarbeiter: Raphael Bilger

Standort: Cyanolab, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Kurzbeschreibung des Projekts:

Cyanobakterien gehören zu den ältesten nachweisbaren Lebensformen der Erde. Die Entwicklung der Sauerstoff-freisetzenden Photosynthese in dieser Organismengruppe vor Milliarden von Jahren war ursächlich für die Anreicherung unserer Atmosphäre mit Sauerstoff und damit auch eine Grundvoraussetzung für die Entstehung höherer Lebensformen, darunter des Menschen.
Cyanobakterien sind über einen Vorgang – der als Endosymbiose bezeichnet wird – auch ein untrennbarer Bestandteil der uns umgebenden Pflanzenwelt geworden, dort bekannt als Chloroplasten. Aber auch heute existieren Cyanobakterien auf der Erde in großer Zahl und Vielfalt. Durch ihre Fähigkeit CO2 zu binden, Sauerstoff freizusetzen und in manchen Fällen auch Luftstickstoff durch Stickstoff-Fixierung binden zu können, sind sie von zentraler Bedeutung für die Funktion der biogeochemischen Stoffkreisläufe.

In den Weltozeanen, dem größten zusammenhängenden Ökosystem überhaupt, stehen Cyanobakterien und die sie infizierenden Viren (Cyanophagen) vermutlich seit Milliarden von Jahren in einer konkurrierenden Wechselbeziehung. Tatsächlich kommen auf jede Cyanobakterien-Zelle rechnerisch zehnmal mehr sie potenziell infizierende Cyanophagenpartikel.

Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass die sich ohnehin schon stark voneinander unterscheidenden Abwehrmechanismen gegen Viren in Cyanobakterien besonders stark differenziert und vermutlich auch besonders tief in die Wirtsmaschinerie integriert sind. Ein Hauptmechanismus zur Verteidigung gegen angreifende Viren stellen die CRISPR-Cas-Systeme dar, das sind Immunsysteme, die auch in vielen anderen Bakterien und Archaeen weit verbreitet sind.

In diesem Zusammenhang bearbeiten wir zwei Projekte:

• Wir untersuchen die Diversität cyanobakterieller CRISPR-Cas-Systeme – aufgrund der langen Ko-Evolution zwischen Cyanobakterien und den sie angreifenden Cyanophagen, sind auch die CRISPR-Cas-Systeme möglicherweise besonders stark differenziert worden.
• Das Zusammenwirken der – im Prinzip autonom funktionierenden – CRISPR-Cas-Systeme mit der normalen Zellmaschinerie zur Regulation der Genaktivität ist Gegenstand unseres zweiten Projektes, mit dem wir ihre Wechselwirkung mit dem Wirt im Detail verstehen möchten. Dazu fokussieren wir uns auf das einzellige Cyanobakterium Synechocystis, einem sehr gut charakterisierten Modellorganismus. Synechocystis war der erste photosynthetische Organismus und der dritte Organismus überhaupt, für den 1996 das gesamte Genom sequenziert wurde. Dadurch sind seit mehr als 20 Jahren systematische experimentelle Arbeiten möglich und viele Details, z.B. wie Photosynthese funktioniert, konnten anhand der Ergebnisse aufgeklärt werden. Synechocystis besitzt drei grundverschiedene CRISPR-Cas-Systeme, deren Aktivitäten tief mit den Mechanismen zur Kontrolle der Genexpression verwoben sind.

Synecocystis
Synechocystis unter dem Mikroskop: A) Hellfeld-mikroskopische Aufnahme; B) Autofluoreszenz des Chlorophylls in den Zellen

Mit unseren Forschungen möchten wir die Diversität verschiedener CRISPR-Cas-Systeme besser verstehen und für potenzielle Anwendungen nutzbar machen. Dafür arbeiten wir international eng mit anderen Arbeitsgruppen auf diesem Gebiet zusammen, unter anderem in Deutschland, in den Niederlanden, in Spanien sowie in Neuseeland, den USA und China.

cyanolab
Das Cyanolab befindet sich in Freiburg und Freiburg ist auf drei Seiten vom Schwarzwald umgeben. Es ist also im Winter nicht weit für einen kleinen Skiausflug

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