Genaktivität von Bakterien unter Rotlicht

Ergebnisse eröffnen spannende Möglichkeiten in der biotechnologischen Anwendung von Bakterien

14.06.2024
UBT/Andreas Möglich

Stefanie Meier und Prof. Dr. Andreas Möglich beim Begutachten einer Agarplatte mit auf Rotlicht antwortenden Bakterien.

Forschende der Universität Bayreuth haben die Empfindlichkeit von bakteriellen Systemen zur Steuerung der Genaktivität gegenüber Rotlicht verändert und ihre molekulare Antwort auf den Lichtreiz umprogrammiert. Die Ergebnisse eröffnen spannende Möglichkeiten in der biotechnologischen Anwendung von Bakterien.

Bakterien müssen sich ständig an wechselnde äußerliche Signale wie Temperatur, pH-Wert oder Licht anpassen. Auf molekularer Ebene erfolgen diese Anpassungen häufig durch das Hinzufügen oder Abspalten von Phosphatgruppen. Für diese Prozesse ist in vielen Bakterien oftmals ein Zweikomponentensystem, bestehend aus einem lichtempfindlichen Enzym und einem Regulator, zuständig. In manchen Systemen spaltet das Enzym unter Rotlicht Phosphatgruppen vom Regulator ab, bei Dunkelheit fügt das Enzym Phosphatgruppen dem Regulator hinzu. Der Regulator löst in den Bakterien dann weitere molekulare Prozesse aus wie eine Veränderung der Genaktivität, was zur Produktion nahezu beliebiger Proteine genutzt werden kann. Forschende der Universität Bayreuth haben ein bakterielles Zweikomponentensystem modifiziert und damit gezeigt, dass bakterielle Systeme gezielt in ihrer physiologischen Antwort auf externe Reize umprogrammiert werden können. Die Publikation ist kürzlich in Nature Communications erschienen.

Für ihr Modellsystem haben Stefanie Meier, Doktorandin in der Arbeitsgruppe Photobiochemie, und Prof. Dr. Andreas Möglich, Leiter der Arbeitsgruppe, die lichtempfindliche Einheit des Zweikomponentensystems gegen eine andere ausgetauscht. Dadurch wurde das Zweikomponentensystem zehnmal empfindlicher gegenüber Rotlicht als die ursprüngliche Variante.

Den Grund für die höhere Lichtempfindlichkeit fanden die Forschenden in der veränderten Aktivität bezüglich der Phosphatgruppen: Beim modifizierten Zweikomponentensystem wurden im Vergleich zum ursprünglichen System unter Rotlicht die Phosphatgruppen schneller abgespalten. Das bedeutet, dass bereits bei geringen Rotlichtintensitäten das System inaktiviert wird.

Zudem veränderten die Forschenden die Länge der Verbindung (des „Linkers“) zwischen der lichtempfindlichen Einheit und dem restlichen Enzym. Sie stellten fest, dass die Systeme mit modifizierten Linkern gegensätzliche Eigenschaften in der Lichtregulierung und Signalantwort auf genetischer Ebene zu den ursprünglichen Systemen aufweisen.

In den Augen der Forschenden dienen die so entstandenen Varianten mit erhöhter Empfindlichkeit und umprogrammierter Aktivität als neuartige Instrumente für Anwendungen in der synthetischen Biologie und Biotechnologie. „Die an diesem Modellsystem hervorgebrachten Ergebnisse haben generelle Relevanz für unzählige Systeme dieser Art, die unter anderem wichtige bakterielle Antworten wie Entwicklung, Bewegung und Infektiosität regulieren. Zudem erstellen wir unmittelbar in der Biotechnologie einsetzbare Systeme, die erlauben, die Produktion beliebiger Proteine durch Rotlicht zu aktivieren“, sagt Möglich.

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