Phototaxis ist die Fähigkeit von Organismen, sich als Reaktion auf eine Lichtquelle gerichtet zu bewegen. Viele Cyanobakterien zeigen Phototaxis, sowohl in Richtung als auch weg von einer Lichtquelle. In der Umwelt ist die Fähigkeit, sich in optimale Lichtverhältnisse für die Photosynthese zu bewegen, wahrscheinlich von Vorteil. Wir interessieren uns besonders dafür, wie Zellen Licht unterschiedlicher Wellenlängen wahrnehmen; die beteiligten Photorezeptoren und die an diesem Prozess beteiligte Signaltransduktionskaskade.

Um den Prozess der Motilität und Phototaxis in Synechocystis sp. wir haben eine Bibliothek von Transposon-markierten Motilitätsmutanten generiert. Mehrere dieser markierten Motilitätsmutanten wurden an Loci, die wir Tax-Loci nannten, auf Chemotaxis-ähnliche Gene abgebildet. Die Rolle von Chemotaxis-Proteinen bei der Signaltransduktion ist in flagellierten enterischen Bakterien ziemlich gut verstanden, in anderen Systemen jedoch viel weniger. Synechocystis sp. hat drei verschiedene Loci, von denen zwei an Motilitätsreaktionen beteiligt sind. Die Störung des Tax1-Locus (der einen Photorezeptor enthält, TaxD1) erzeugt Mutanten, die negativ phototaktisch sind, während Tax3-Mutanten nicht beweglich sind und keine Pili haben. Mehrere neuartige Mutanten, die in der Phototaxis aberrant sind, werden mit biochemischen und genetischen Ansätzen charakterisiert. Wir haben ein vorläufiges Modell der Phototaxis entwickelt und entwickeln ein System zur Analyse der Phototaxis in thermophilen Cyanobakterien, die aus mikrobiellen Matten isoliert wurden.
Das haben wir im Modellorganismus Synechocystis gezeigt. sp. phototaxis ist ein oberflächenabhängiges Phänomen, das Pili vom Typ IV anstelle von Flagellen erfordert. Viele gramnegative Bakterien haben Typ IV Pili, die lange multifunktionale, proteinartige Oberflächenanhänge sind. Interessanterweise werden Typ-IV-Pili für verschiedene Funktionen wie soziale Motilität, Wirt-Erreger-Erkennung, die Fähigkeit, exogene DNA aufzunehmen und bei der Biofilmbildung benötigt.

Derzeit verwenden wir Zeitraffer-Videomikroskopie- und Tracking-Programme, um einzelnen Zellen und Populationen zu folgen und grundlegende Fragen zu den Parametern zu stellen, die die Motilität bestimmen. In Zusammenarbeit mit Doron Levy (Department of Mathematics, University of Maryland) modellieren wir soziale Dynamiken in der oberflächenabhängigen Motilität. Wir haben kürzlich auch Kooperationen mit der Gruppe von K. C. Huang (Department of Bioengineering, Stanford) aufgenommen, um die oberflächenabhängige Motilität zu simulieren und zu kontrollieren. Es ist wahrscheinlich, dass Zellen als Gruppen fungieren und die Dynamik der Gruppenkommunikation durch Pili und molekulare Signale wie cAMP vermittelt werden kann. Die Rolle der Kommunikation ist besonders relevant für mikrobielle Matten und andere bakterielle Gemeinschaften in natürlichen Umgebungen.

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RELEVANTE PUBLIKATIONEN (PDF-Version verfügbar unter Publikationen)
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