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Zusammenfassung:
Das Typ-III-Sekretionssystem (T3SS) ist eine nadelförmige Struktur, die von vielen pathogenen gramnegativen Bakterien genutzt wird, um Effektorproteine vom bakteriellen Zytosol aus in Wirtszellen zu transportieren. Es wurde bereits erfolgreich eingesetzt, um nicht-native Proteine in verschiedene Wirtszellen für unterschiedliche Zwecke, zum Beispiel als Impfung oder zur Immuntherapie, einzuschleusen. Das bakterielle T3SS ist jedoch nicht auf bestimmte Zielzellen beschränkt und injiziert bei Kontakt Effektorproteine in jegliche Art eukaryontischer Zelle. Die fehlende Zielspezifität ist daher ein Haupt-Hindernis für die weitere Entwicklung und Anwendung des T3SS als spezifisches Proteintranslokationstool. Frühere Studien haben gezeigt, dass der zytosolische Komplex des T3SS als hochdynamische Schnittstelle fungiert, in dem Proteine permanent zwischen dem Zytosol und dem T3SS ausgetauscht werden und dass dieser Austausch direkt mit der Funktion der Proteinsekretion zusammenhängt. Diese Erkenntnisse eröffnen eine neue Möglichkeit, die T3SS-Aktivität durch gezielte Sequestrierung und Freisetzung von zytosolischen T3SS-Komponenten zu steuern. Optogenetische Anwendungen, die bisher vor allem in der eukaryontischen Zellforschung etabliert sind, bieten ein neues Instrument zur präzisen Steuerung von Proteininteraktionen mit Licht. In meiner Doktorarbeit habe ich optogenetische Interaktionsschalter in Bakterien eingebaut, um zelluläre Ereignisse gezielt zu steuern. Die Kombination von optogenetischen Interaktionsschaltern mit einer dynamischen und essentiellen zytosolischen Komponente des T3SS ermöglicht eine reversible räumliche und zeitliche Kontrolle der T3SS-Funktion. Dies bildet die Grundlage für unsere Anwendung LITESEC-T3SS (Licht-induzierte Translokation von Effektoren durch Sequestrierung endogener Komponenten des T3SS). Dadurch verbessert sich die Nutzung des T3SS als spezifisches Werkzeug für die Proteineinschleusung in eukaryontische Zellen und ermöglicht eine großflächige Anwendung. In dieser Arbeit zeigen wir, dass die Sekretion, sowohl von nativen Effektorproteinen als auch nicht-nativen „Wunschproteinen“, sowie die Translokation von Proteinen in eukaryontische Wirtszellen in den manipulierten Stämmen effizient durch Licht gesteuert werden kann. Als direkte biologische Anwendung stellen wir den Transport pro-apoptotischer Proteine in Krebszellen vor, die zum gezielten Zelltod führen. Darüber hinaus habe ich das Prinzip der optogenetischen Proteinassoziation und -dissoziation genutzt, um dynamische zelluläre Ereignisse des T3SS, mit Fokus auf der Dynamik des zytosolischen Komplexes und einer möglichen direkten Verbindung zur Funktion, näher zu untersuchen.

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