Effects of membrane lipid composition on the organization and signalling properties of bacterial chemoreceptors

The bacterial cytoplasmic membrane is one of the most dynamic cellular structures, functioning mainly as selective permeability barrier. The aim of this thesis was to investigate effects of lipid bilayer composition on several bacterial cell properties like growth, chemosensing and motility. I mainl...

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Main Author: Sachs, Nadja
Contributors: Sourjik, Victor (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2020
Biologie
Subjects:
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Table of Contents: Die bakterielle Zytoplasmamembran ist eine der dynamischsten Strukturen in der Zelle und fungiert hauptsächlich als selektive Permeabilitätsbarriere. Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen der Zusammensetzung dieser Lipid- Doppelschicht auf verschiedene bakterielle Zelleigenschaften wie Wachstum, Chemosensorik und Motilität zu untersuchen. Dabei konzentrierten wir uns hauptsächlich auf den Effekt von Cardiolipin (CL), einer Nebenkomponente der bakteriellen Zytoplasmamembran, die in Escherichia coli von drei Enzymen (ClsA, YbhO, YmdC) synthetisiert wird. Während einzelne Deletionen dieser Synthasen das Wachstum und teilweise auch die Zellmorphologie beeinflussten, beeinträchtigte der dreifache Knockout ΔclsA ∆ybhO ∆ymdC das Wachstum nicht negativ und ist vergleichbar mit dem Ausgangsstamm. Überraschenderweise verursachte der Cardiolipin-Mangel unter verschiedenen osmotischen und antibiotischen Stressbedingungen keine oder nur geringfügige Wachstumsdefekte, was darauf hindeutet, dass Cardiolipin für das Wachstum von E. coli entbehrlich ist. Das Überleben beweglicher Mikroorganismen hängt nicht nur vom Wachstum ab, sondern auch von ihrer Fähigkeit, chemische Gradienten zu erfassen und die dadurch bedingte, gerichtete Fortbewegung zu kontrollieren. Dazu verwendet E. coli methylakzeptierende Chemotaxis-Proteine, die sich an den Zellpolen und seitlich, entlang des Zellkörpers, gruppieren. Wir konzentrierten uns auf den Einfluss der membranabhängigen Interaktionen zwischen den Rezeptoren und der Phospholipid-Zusammensetzung der Zellmembran. Wir konnten zeigen, dass die Membran nicht nur für die Funktionalität der Chemorezeptoren, sondern auch für die Bildung der chemosensorischen Cluster eine wesentliche Rolle spielt. Ebenso, dass die Clusterbildung des Chemorezeptors Tar durch die Abwesenheit von Cardiolipin um die Hälfte verringert ist, unabhängig von Temperatur und Wachstumsphase. Das Clustering in einem Cardiolipin-defizienten Hintergrund konnte durch Modifikation der Transmembrandomäne von Tar wiederhergestellt werden. Um zu untersuchen, ob die Abnahme der Clusterbildung die Folge einer reduzierten Proteinmobilität sein könnte, oder der Assemblierungsprozess in Kombination mit einer hydrophoben Fehlanpassung von Protein und Membran behindert wird, verwendeten wir FRAP (Fluoreszenz Recovery After Photobleach) -Mikroskopie, was die Messungen von Proteindiffusionskoeffizienten ermöglicht. Wir führten FRAP-Messungen für die wichtigsten E. coli-Rezeptoren, Tar und Tsr, durch. Dabei konnten wir beobachteten, dass die Diffusion von Tar im CL-defizienten Stamm bei einem engen Temperaturbereich um 18°C signifikant verlangsamt ist. Bei höheren und niedrigeren Temperaturen ist der Unterschied in der Tar- Diffusion im WT und der CL-defizienten Mutante nicht erkennbar, was auf einen plötzlichen, Cardiolipin bedingten, Abfall der Mobilität von Tar in einem kritischen Temperaturbereich hinweist. Eine Fluidisierung der Membran mit Benzylalkohol konnte den Effekt wiederherstellen. Weiterhin konnte der Cardiolipin bedingte Effekt auch durch eine Erweiterung der Tar-Transmembrandomäne aufgehoben werden. Für Tsr konnten wir keinen membranabhängigen Effekt auf die Rezeptordiffusion nachweisen. Wir nehmen an, dass die CL-abhängige Zunahme der Rezeptormobilität von Tar in einem bestimmten Temperaturbereich auf Protein-Membran-Wechselwirkungen zurückzuführen ist, die unter anderem von der Länge der Transmembrandomänen abhängen. Die Zusammenhänge zwischen der Cardiolipin-vermittelten Erhöhung des Rezeptor-Clusterings und der Cardiolipin-bedingten Erhöhung der Rezeptormobilität müssen noch erforscht werden. Desweiteren konnten wir zeigen, dass CL das Motilitätssystem von E. coli beeinflusst. Mit steigenden Temperaturen nimmt die Motilität eines Cardiolipin-defizienten Stammes zu, im Gegensatz zum Ausgangsstamm mit unveränderter Membranzusammensetzung. Dies konnte durch Untersuchung der Expression der Motilitätsgene fliC und fliA bestätigt werden. Darüber hinaus untersuchten wir den Effekt von Membranveränderungen auf E. coli durch Überexpression verschiedener Phospholipidsynthasen, sowie den Effekt veränderter Membranzusammensetzungen in B. subtilis.