Forschungsschwerpunkte der AG Caspari
In diesem Labor erforschen wir endosymbiotische Organellogenese, und speziell die Rolle von Proteinimport bei diesem Prozess. Endosymbiotische Organellogenese von Mitochondrien und Chloroplasten veränderte die Biologie der entstehenden chimären Zellen drastisch und ermöglichte so die Entwicklung von komplexem Leben. Nachzuvollziehen, wie organellogene Vorgänge im Labor mit Hilfe der synthetischen Biologie nachgebildet werden können, wäre ein wichtiger Schritt zum Verständnis grundlegender Aspekte der Evolution des Lebens sowie ein leistungsfähiges biotechnologisches Werkzeug zur Erzeugung von Organismen mit gewünschten Eigenschaften. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen drei Aspekte erfüllt werden: Erstens müssen zwei Organismen dazu gebracht werden, zum gegenseitigen Nutzen zu interagieren (Mutualismus). Zweitens muss der eine (mikrobielle) Organismus in den Zellen des anderen untergebracht werden, wodurch eine Endosymbiose entsteht. Drittens muss die Endosymbiose in eine vollwertige Organellogenese umgewandelt werden, indem die Kontrolle über die Reproduktion und den Stoffwechsel des internen Partners auf den Wirt übertragen wird - für diesen Schritt ist Proteinimport wichtig. In diesem Projekt werden alle drei Aspekte anhand der einzelligen Modell-Grünalge Chlamydomonas reinhardtii untersucht.
Beziehung Organelle-Wirt
Um das Wechselspiel zwischen Wirtszelle und Organelle besser zu verstehen, untersuchen wir Proteinimport in den Chloroplasten und gegenläufige retrograde Signale in Chlamydomonas. Stark sequenzdivergente N-terminale Chloroplasten-Transitpeptide (cTPs) bestimmen den Import von zytosolisch produzierten Proteinen. Diese cTPs bestehen aus unstrukturierten Sequenzelementen vor und nach einer zentralen amphipathischen Helix (Caspari et al. 2023), welche über die Stelle hinausgehen, an der cTPs von dem transportierten Protein abgespalten werden (Caspari 2022). Wir verwenden ein genetisches Screening, um die Rolle von cTP-Elementen beim Adressieren von Proteinen zu testen. Dabei benutzen wir Leaky-Stop-Codon-Technologie (Caspari 2020), die eine Kombination von Komplementation und Fluoreszenzmikroskopie ermöglicht. Ebenso sind wir daran interessiert herauszufinden, ob die Affinität der Transitpeptide zur Lipidzusammensetzung der Zielorganellenmembranen eine Rolle bei der Bestimmung des subzellulären Zielorts spielt.
Zudem untersuchen wir die Rolle von H2O2 als mögliches Retrogrades Signal, welches dem Nukleus bei Lichtstress rückmeldet, welche Arten von Proteinen benötigt werden.
(Endo-) Symbiose herstellen
Mutualistische Symbiosen wurden für Chlamydomonas mit einer Reihe von Partnern dokumentiert, und aus solchen Interaktionen können durch Laborevolution Co-Abhängigkeiten entstehen. Im Labor stellen wir mikrobielle Konsortien zusammen, und untersuchen die vorhandenen Mikroben auf mutualistische Interaktionen mit den Algen. Zusätzlich zu bekannten Interaktionspartners aus der Literatur isolieren wir neue Partner durch das Screening von Umweltproben. Eine positive Wirkung der mikrobiellen Partner wird bewertet, indem auf eine Verlängerung des Überlebens und des produktiven Wachstums der Algen in dichter Kultur getestet wird. Zudem optimisieren wir das Einbringen von Bakterienzellen in Chlamydomonas. Dazu verwenden wir Azotobacter vinelandii als natürlicherweise mutualistischen bakteriellen Partner, welcher Stickstoff aus der Luft fixieren kann.
Proteinimport in Bakterien
Diese Idee baut auf Arbeiten zur Evolution des Proteinimports von Mitochondrien und Chloroplasten aus einem bakteriellen Abwehrsystem gegen antimikrobielle Peptide auf (Garrido und Caspari et al. 2020, Caspari und Lafontaine 2021, Caspari et al. 2023), welche darauf hindeuten, dass es möglich sein könnte, Bakterien so zu verändern, dass sie Proteine importieren. Zu diesem Zweck untersuchen wir defensive Importsystem für antimikrobielle Peptide in Escherichia coli. Zudem ist geplant, das Proteinimportsystem von Mitochondrien in Bakterien zu exprimieren, um Proteinimport zu ermöglichen. Letzendlich ist das Ziel, ein proteinimportierendes Bakterium in Chlamydomonas einzuführen. Dies würde anschließend erlauben, herauszufinden, welche Gene vom Endosymbiont auf die Wirtszelle übertragen werden müssen, um die Interaktion zu stabilisieren, und so synthetische Organellen zu erzeugen.
Publikationen
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Mitglieder
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