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基于约束化学刻蚀的新型电化学微加工方法及其应用
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基于约束化学刻蚀的新型电化学微加工方法及其应用
官方公共微信Flagellen-vermittelte Motilit&t in Shewanella : Mechanismen zur effektiven Fortbewegung in S. putrefaciens CN-32 und S. oneidensis MR-1
Titel:Flagellen-vermittelte Motilit&t in Shewanella : Mechanismen zur effektiven Fortbewegung in S. putrefaciens CN-32 und S. oneidensis MR-1
Titel (trans.):Flagella-mediated Motility in Shewanella : Mechanisms for effective motility in S. putrefaciens CN-32 and S. oneidensis MR-1
Autor:Bubendorfer, Sebastian
Weitere Beteiligte:Thormann, Kai M. (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2013
Fachbereich:Fachbereich Biologie, Philipps-Universit&t Marburg
Institut:Biologie
Biowissenschaften, Biologie
Schlagw&rter:
Flagelle, Motility, Motilit&t, dual, Shewanella, Glycosylation, Flagella, lateral, Schwimmen, lateral, dual, Modification, Shewanella, Glykosylierung
Bakterien k&nnen sich mittels der Rotation helikaler Proteinfilamente & den Flagellen & h&chst effizient durch ihre Umwelt bewegen. In einer sich st&ndig ver&ndernden Umgebung erm&glicht diese Art der Fortbewegung eine gerichtete Bewegung hin zu optimalen Bedingungen. &Uber ein breites chemosensorisches Potential nehmen Bakterien spezifische Reize wahr und reagieren durch eine Modulierung der Bewegungsmaschinerie, die Stimulus-abh&ngige Chemotaxis entlang von Gradienten erm&glicht. Verschiedene Habitate f&hren in Mikroorganismen zu einer spezifischen Anpassung der Flagellensysteme, was zu einer hohen Variabilit&t der Charakteristika von Flagellensystemen unterschiedlicher Organismen f&hrt. Manche Bakterien besitzen neben dem prim&ren, meist polaren, Flagellensystem auch sekund&re laterale Flagellen, die eine Fortbewegung unter Bedingungen erm&glichen, welche die Funktion der polaren Flagelle einschr&nken k&nnen. So gew&hrleisten diese zum Beispiel die Fortbewegung in Umgebungen mit hoher Viskosit&t oder das Schw&rmen von Zellen &ber Oberfl&chen. Die Produktion des kostspieligen zweiten Flagellen-systems unterliegt dabei einer strikten regulatorischen Kontrolle.
Shewanella putrefaciens CN-32 besitzt, neben einer Na+-getriebenen polaren Flagelle, ebenfalls ein sekund&res H+-getriebenes Flagellensystem, das &Ahnlichkeit zu lateralen Flagellensystemen anderer Organismen aufweist. Erstaunlicherweise produziert eine Subpopulation in S. putrefaciens CN-32 ein bis zwei laterale, zuf&llig lokalisierende Flagellen bereits w&hrend des exponentiellen Wachstums in planktonischer Kultur. Ph¬ypische und fluoreszenzmikroskopische Analysen de-monstrierten, dass beide Flagellensysteme in S. putrefaciens CN-32 auf struktureller Ebene hoch-spezifisch sind. Ein Chemotaxissystem induziert spezifisch den Richtungswechsel der bidirektional rotierenden polaren Flagelle, aber nicht den der unidirektional drehenden lateralen Flagelle. Die Rotation der polaren Flagelle ist ausreichend, um maximale Schwimmgeschwindigkeit in planktonischer Kultur zu erreichen. Dennoch zeigen Zellen, die ein bis zwei zus&tzliche laterale Flagellen besitzen, eine effektivere, gerichtete Schwimmbewegung, die vermutlich mit der effizienten Neuorientierung der Zellk&rper einhergeht. Eine solche Eigenschaft f&r ein laterales Flagellensystem wurde bisher noch nicht beschrieben und k&nnte daher ein neuartiges System zur erfolgreichen Exploration neuer Habitate darstellen. Die Pr&senz von dualen Flagellensystemen in einer Vielzahl von aquatisch vorkommenden Bakterien ist ein Indiz f&r &hnliche Funktionsweisen der Flagellensysteme in anderen Organismen.
Im Gegensatz zu S. putrefaciens CN-32 nutzt Shewanella oneidensis MR-1 nur eine einzelne polare Flagelle mit einem dualen Statorsystem, um sich bei unterschiedlichen Natriumkonzen-trationen fortbewegen zu k&nnen. Das Flagellenfilament besteht aus den homologen Flagellinen FlaA und FlaB, deren posttranslationale Modifizierung essentiell f&r die Assemblierung der Flagelle ist. MS-Untersuchungen, sowie im Rahmen dieser Arbeit durchgef&hrte Genort-spezifische Muta-tionen zeigten, dass FlaA und FlaB an mindestens vier Serinen &ber O-glykosidische Bindungen modifiziert werden. Detaillierte Analysen der Modifizierung wiesen darauf hin, dass diese sich aus einem Pseudamins&ure-Derivat (Pse) und einer strukturell unbekannten, 264 Da schweren Einheit zusammensetzt. Partiell konservierte Gene innerhalb der Modifizierungsregion neben variablen Bereichen, wie z.B. dem sfmABCDE-Operon, lassen einen allgemeinen Mechanismus der Flagellin-Glykosylierung mit Spezies-spezifischen Zucker-Resten in anderen Shewanella-Vertretern vermuten.
Meine Ergebnisse zeigen, dass ein synchron funktionierendes duales Flagellensystem in S. putrefaciens CN-32 effektives gerichtetes Schwimmverhalten vermitteln kann und demonstrieren die essentielle Bedeutung der Glykosylierung von Flagellin mit Pse f&r die Motilit&t von S. oneidensis MR-1. Die Erkenntnisse dieser Arbeit erweitern das Wissen &ber Flagellen-vermittelte Fortbewe-gung in Bakterien und verdeutlichen die Komplexit&t und Variabilit&t der Flagellensysteme in Bezug auf die evolution&re Anpassung homologer Proteinkomplexe und regulatorischer Netzwerke an die Umwelt.
Bacteria move efficiently by rotating helical proteinacious filaments called flagella. This elegant type of movement enables microorganisms to migrate towards favorable conditions in a constantly changing environment. Through chemotaxis, bacteria respond to specific stimuli and modulate function and output of their flagellar systems to be able to follow gradients. Bacteria have evolved their flagellar motility repertoire to match requirements of their specific habitats, leading to a high degree of variability of flagellation between organisms. Some bacteria elaborate secondary lateral flagella in addition to their polar flagellar systems, enabling movement through highly viscous environments or across surfaces. Strict regulatory circuits control production and maintenance of the costly lateral flagellar system.
Shewanella putrefaciens CN-32 harbors two flagellar systems assembling a Na+-driven polar flagellum and H+-driven lateral flagella. Both systems exhibit significant similarity to dual flagellar systems in other bacterial species. Surprisingly, a subpopulation of S. putrefaciens CN-32 elaborates one or two randomly localizing lateral flagella already during exponential growth in complex liquid media. Phenotypical analyses of defined in frame deletion mutants in concert with advanced fluorescence microscopy demonstrate that, despite the synchronous assembly, structural components are highly specific to their corresponding flagellar system. A single chemotaxis system specifically controls rotational switching of the bidirectional polar flagellum, but it has no influence on unidirectional rotation of lateral flagella. Rotating polar flagella is sufficient to mediate full swimming speed of single cells in liquid environment. However, cells producing additional lateral flagella display a significantly increased directed swimming behavior in liquid or structured habitats, indicating a role of lateral flagella in efficient reorientation of cell bodies in their environment. This so far unknown mode of bacterial swimming may rely on functional interaction of polar and lateral flagella and, thus, may represent a novel mechanism of exploring new habitats under certain circumstances. Additionally, the discovery of dual flagellar systems in a growing number of bacteria inhabiting aquatic environments may point towards similar flagellar functions in other organisms.
A second representative of the family of Shewanellaceae, Shewanella oneidensis MR-1, uses a single polar flagellar filament consisting of two highly homologous flagellin subunits, FlaA and FlaB, and a dual torque-generating stator system to effectively move at different sodium ion concentrations. Posttranslational modification of flagellins is essential for both the assembly of the flagellar filament and subsequent motility. Sophisticated MS-analyses in accordance with single-residue substitutions performed in this study identified at least 4 sites of O-glycosidic modification for both FlaA and FlaB. Detailed structural analyses revealed that the modification likely consists of a basal 274 Da pseudaminic-acid (Pse) derivative and a directly attached unknown moiety of 264 Da. A S. oneidensis MR-1-specific operon, designated as sfmABCDE, is involved in flagellin glycosylation. This operon is arranged within a gene region comprising glycosylation-related genes that is partially conserved among other Shewanella species implicating a conserved glycosylation mechanism using variable glycan moieties in a species-specific manner for these Shewanella strains.
In this study, I could demonstrate that a synchronously working dual flagellar system, as well as flagellin glycosylation is crucial for effective swimming of S. putrefaciens CN-32 and S. oneidensis MR-1, respectively. In summary, studying mechanisms of flagella-mediated motility in these two different Shewanella species may expand our knowledge about bacterial motility and has implications for the evolution of highly homologous protein complexes and interacting bacterial regulatory control circuits in response to changing environmental conditions.