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Die ÔÇ×Innere UhrÔÇť regulieren

08.12.2021 CMFI News

Neu identifiziertes Sensorprotein beeinflusst Stoffwechsel in Cyanobakterien und Tag-Nacht-Rhythmus

Auch Cyanobakterien haben einen Tag-Nacht-Rhythmus: Der Stoffwechsel dieser ├Ąltesten Lebensformen der Erde passt sich dem Wechsel von Tag und Nacht an, einem sogenannten zirkadianen Rhythmus. Forschende der Universit├Ąt T├╝bingen und des Max-Planck-Instituts f├╝r Entwicklungsbiologie sowie der Universit├Ąten G├ÂttingenRostock und Hannover haben nun erstmals entschl├╝sselt, welches Protein diese Anpassung reguliert. Versteht man die molekularen Grundlagen von solchen Prozessen, die mit der sogenannten ÔÇ×zirkadianen UhrÔÇť oszillieren, kann dies helfen, auch die ÔÇ×innere UhrÔÇť anderer Organismen zu verstehen, einschlie├člich des Menschen. Diese regelt nicht nur den Tag-Nacht-Rhythmus, sondern auch zahlreiche physiologische Prozesse, einschlie├člich unseres Stoffwechsels.

Dass Cyanobakterien ihren Stoffwechsel beim ├ťbergang von Tag zu Nacht mit Hilfe der zirkadianen Uhr anpassen, war bereits bekannt. W├Ąhrend des Tages betreiben sie Photosynthese und speichern Kohlenstoffquellen in Form von Glykogen. W├Ąhrend der Nacht wird das Glykogen zur Energiegewinnung abgebaut, so dass die Cyanobakterien n├Ąchtliche Dunkelheitsperioden ├╝berleben k├Ânnen.

Dr. Khaled Selim und Professor Karl Forchhammer vom Interfakult├Ąren Institut f├╝r Mikrobiologie und Infektionsmedizin (IMIT) und dem Max-Planck-Institut f├╝r Entwicklungsbiologie und Projektgruppenleiter im Exzellenzcluster ÔÇ×Controlling Microbes to Fight InfectionsÔÇť (CMFI) der Universit├Ąt haben nun mit Kollegen zwei Verantwortliche f├╝r diesen Prozess identifiziert: Das Protein SbtB, das an der Regulierung der CO2-Aufnahme - ein f├╝r die Photosynthese wichtiger Prozess - beteiligt ist sowie den chemischen Botenstoff c-di-AMP. Das Botenmolek├╝l c-di-AMP wird von fast allen lebenden Bakterien synthetisiert und dient dazu, die Bakterien ├╝ber ihren internen und/oder externen aktuellen Zellstatus zu informieren. c-di-AMP leitet sich von dem bekannten Nukleotid Adenosintriphosphat (ATP) ab, welches der Grundbaustein der RNA ist. Die Forschenden um Dr. Selim und Prof. Forchhammer zeigten, dass der chemische Botenstoff c-di-AMP an der Reaktion von Bakterienzellen auf osmotischen Stress beteiligt ist und er somit auch auf den Tag-Nacht-Rhythmus ├╝ber die Regulierung des Glykogenstoffwechsels einwirkt.

 

Es war bereits bekannt, dass SbtB die Kohlenstoffaufnahme regulieren kann. Dr. Selim und Kollegen haben nun gezeigt, dass es auch den Glykogenstoffwechsel reguliert, was auf eine umfassendere Rolle bei der Regulierung des zentralen Kohlenstoffstoffwechsels hindeutet. Wenn SbtB an das Nukleotid c-di-AMP gebunden ist, interagiert es mit einem wichtigen Enzym f├╝r die Glykogensynthese. Interessanterweise erreicht die Konzentration sowohl von c-di-AMP als auch von SbtB tags├╝ber ihren H├Âhepunkt und nachts ihr Minimum. Ohne die beiden Substanzen w├Ąren die Zellen nicht in der Lage, die Nacht zu ├╝berleben, da sie tags├╝ber nicht gen├╝gend Glykogenspeicher aufbauen k├Ânnen, so die Forscher. Dies deutet darauf hin, dass c-di-AMP und SbtB den Glykogenstoffwechsel im Rahmen des nat├╝rlichen Tag-Nacht-Rhythmus regulieren.

Die Forschenden gehen davon aus, dass das Verst├Ąndnis der molekularen Mechanismen hinter diesem zentralen Regulator SbtB dazu dienen kann, den Kohlenstoffluss in Cyanobakterien zu manipulieren. Dies k├Ânnte die Herstellung n├╝tzlicher Produkte, wie beispielsweise des biologisch abbaubaren Kunststoffs PHB oder andere chemische Ausgangsstoffe effizienter und in industriellem Ma├čstab anwendbar machen.

Im gr├Â├čeren Kontext verbessern die Erkenntnisse nicht nur unser Verst├Ąndnis der Verstoffwechselung von Kohlenstoff bei Cyanobakterien, sondern auch insgesamt der molekularen Grundlagen von Prozessen, die mit der zirkadianen Uhr wechselwirken. Dies hilft wiederum, den Tag-Nacht-Rhythmus anderer Organismen - inklusive des Menschen - zu erkl├Ąren. ÔÇ×Eines Tages k├Ânnen wir dadurch vielleicht besser verstehen, warum uns beispielsweise Essen am Tag und Fasten in der Nacht vor Krankheiten wie Fettleibigkeit und Diabetes sch├╝tztÔÇť, erkl├Ąrt Khaled Selim.

Publikation:

Selim KA, Haffner M, Burkhardt M, Mantovani O, Neumann N, Albrecht R, Seifert R, Kr├╝ger L, St├╝lke J, Hartmann MD, Hagemann M, Forchhammer K: Diurnal metabolic control in cyanobacteria requires perception of second messenger signaling molecule c-di-AMP by the carbon control protein SbtB. Science Advances 7: eabk0568. (2021) doi: 10.1126/sciadv.abk0568.

Kontakt

Dr. Khaled Selim
Universit├Ąt T├╝bingen

Interfakult├Ąres Institut f├╝r Mikrobiologie und Infektionsmedizin (IMIT) | Exzellenzcluster ÔÇ×Controlling Microbes to Fight InfectionsÔÇť (CMFI)

Tel: +49 7071 29 74634
E-Mail: khaled.selim@uni-tuebingen.de

Pressekontakt

Leon Kokkoliadis
Medien- und ├ľffentlichkeitsarbeit

Tel: +49 7071 29-74707
E-Mail: leon.kokkoliadis@uni-tuebingen.de

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