Mikrobiologie
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Phänotyische Heterogenität

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Abb.1: Der Masterregulator HexA ist Repressor für primärvariantenspezifische Gene und damit massgeblich am phänotypischen Phasenwechsel von P. luminescens beteiligt. Die Signale und das Regulationsnetzwerk sind unbekannt.

Bakterien der Gattung Photorhabdus kommen in zwei phänotypisch verschiedenen Varianten vor, welche als Primär- und Sekundärvariante bezeichnet werden. Beide Varianten sind genetisch homogen, aber unterscheiden sich stark in ihrer Morphologie sowie zahlreichen physiologischen Eigenschaften. Einer der Hauptunterschiede beider Varianten ist, dass Sekundärzellen nicht mehr zur Symbiose mit den Nematoden fähig sind. Diese Variante entsteht spontan in Folge längerer Inkubationszeiten in vitro oder im Insektenkadaver. Nach etwa 28 Tagen fortlaufender Inkubation haben etwa 20-50% der Zellen einen phänotypischen Phasenwechsel von der Primär- zur Sekundärvariante vollzogen. In vivo entspricht dies exakt der Zeitspanne, die von der Infektion des Insekts bis zum Verlassen der neuen Nematodengeneration aus dem verbrauchten Insektenkadaver vergeht. Der soziobiologische Grund für diesen phänotypischen Phasenwechsel ist unbekannt. Mögliche Erklärungen für dieses Phänomen reichen von einer klassischen „bet-hedging“ Strategie, die das Überleben der Gesamtpopulation in jedem Fall absichert, bis zu einem altruistischen oder dominanten Verhalten der jeweils einen oder anderen Variante. Mittels künstlich zusammengestzer Populationen, die aus verschiedenen Verhältnissen von Primär- und Sekundärzellen bestehen, wollen wir herausfinden, ob eine definierte heterogene Zusammensetzung der bakteriellen Population ein Vorteil für die Gesamtgemeinschaft der Bakterien und deren Symbiosepartner hat. Des Weiteren gilt es zu klären, ob eine der Varianten ein spezifisches Signal aussendet, welches das Verhalten der jeweils anderen Variante kontrolliert. Aber warum sind einzelne Zellen in einer homogenen Umgebung anfälliger für den phänotypischen Phasenwechsel und andere weniger oder gar nicht? Am molekularen Mechanismus der Steuerung dieses Phasenwechsels von P. luminescens ist hauptsächlich ein Masterregulator beteiligt. Dieser Regulator, HexA, fungiert vermutlich als Repressor von primärvarianten-spezifischen Genen. Wie jedoch ein einzelner Regulator in einer zunächst homogenen Zellpopulation heterogen wirken kann, ob möglicherweise andere zentrale Regulatoren am phänotypischen Phasenwechsel beteiligt sind und welche Signale diesen Wechsel induzieren, sind zentrale Fragestellungen, denen wir uns in diesem Projekt widmen.

Das Projekt ist dem DFG-Schwerpunktprogramm SPP1617 "Phenotypic heterogeneity and sociobiology of bacterial populations" angegliedert.

anger, A.; Moldovan, A.; Harmath, C.; Joyce, S.; Clarke, D.; Heermann, R. (2017). HexA is a versatile regulator involved in the control of phenotypic heterogeneity of Photorhabdus luminescens, PLOS ONE 12(4):e0176535.

Heinrich, A.K.; Glaeser, A.; Tobias, N.J.; Heermann, R.; Bode, H.B. (2016). Heterogeneous regulation of bacterial natural product biosynthesis via a novel transcription factor. Heliyon 2(11): e00197.

Glaeser, A.; Heermann, R. (2015). A novel tool for stable genomic reporter gene integration to analyze heterogeneity in Photorhabdus luminescens at the single-cell level. Biotechniques 1;59(2):74-81.