Towards bottom-up reconstitution of a minimal division machinery [thesis]

Daniela Azucena García Soriano
2018
A mi familia y a mi familia extendida en todo el mundo iv Kurzfassung Synthetische Biologie versucht lebende Materie unter einem technischen Ansatz zu charakterisieren und zu verstehen, um biologische Funktionen zu verbessern oder sogar neu zu erzeugen. Ein Hauptziel ist dabei die Entwicklung funktionaler Module welche sich zu einer minimalen Zelle kombinieren lassen. Solche Module bilden elementare biochemische und biophysikalische Prozesse von Grund auf ab, wobei synthetische oder organische
more » ... he oder organische zelluläre Komponenten kombiniert werden. Die daraus resultierenden Modellsysteme sollen essentielle Eigenschaften einer lebenden Zelle besitzen, also beispielsweise in der Lage sein, einen elementaren Stoffwechsel aufrechtzuerhalten oder aufäußere Reize reagieren können. Dadurch stellt die synthetische Biologie einen minimalen Rahmen zur Erforschung von biologischen Prozessen bereit, welche unabhängig von der Vielzahl, in einer lebenden Zelle, parallel auflaufender Reaktionen analysiert werden können. Sobald die zellulären Komponenten, wie Replikation, Metabolismus oder Zellteilung charakterisiert wurden, sollen diese langfristig in ein ganzes vom Menschen geschaffenes Gebilde zusammengefügt werden, welches leicht zu prognostizieren, zu manipulieren und zu kontrollieren ist. Sich zu Teilen ist eine der grundlegendsten Eigenschaften lebender Zellen und wird durch eine gut organisierte Gruppe von Proteinen orchestriert. Dabei teilt sich eine Mutterzelle in zwei Hälften wobei das Erbgut und alle anderen Zellteile so verteilt werden, dass die neuen Tochterzellenüberleben. In Bakterien, insbesondere Escherichia Coli, wird FtsZ als das wichtigste Protein für die Zellteilung angesehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das FtsZ-Proteins als potentieller Bestandteil einer minimalen Teilungsmaschinerie in synthetischen Zellen untersucht. Ferner wurden Technologien zur Durchführung von Invitro-Rekonstitutionsexperimenten in Kompartimenten zur Nachahmung einer künstlichen Zellhülle erarbeitet. Zunächst haben wir das FtsZ-Protein mit einer membranspezifischen Anker konjugiert und näher charakterisiert. Hier waren unsere Hauptziele, die Mechanismen zu verstehen, die die Emergenz und stationäre Dynamik von chiralen FtsZ Wirbeln auf planaren Lipidmembranen bestimmen. Dazu untersuchten wir verschiedenen Faktoren, wie Membranbindung, laterale Wechselwirkungen und GTPase-Aktivität auf deren Einfluss auf die dynamischen Eigenschaften der FtsZ-Ringe zu untersuchen. Zweitens werfen wir einen Blick auf neu entstehende Technologien, die nicht nur für FtsZ, sondern auch für verschiedene zelluläre Module und letztlich minimale Zellen implementiert werden könnten. Unter dem Ziel, unsere Untersuchungen in eine zellähnlichere Umgebung zuübertragen, wurden 3D-Umgebungen mit einer bakterienähnlichen Form für weitere Untersuchungen von FtsZ-Filamenten implementiert. Ebenso konnte festgestellt werden, dass noch einige Hürden für eine bessere Charakterisierung biologischer Prozesse v Publications and manuscripts 1. Ramirez D, Garcia-Soriano, D. A., Raso A, Feingold M, Rivas G, Schwille P. (2016) Chiral vortex dynamics on membranes is an intrinsic property of FtsZ, driven by GTP hydrolysis. bioRxiv 079533; doi: https://doi.Schwille, P. (2018). Treadmilling analysis reveals new insights into dynamic FtsZ ring architecture. PLoS Biology. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2004845 3. Ramm, B., Glock, P., Mücksch, J., Blumhardt, P., Heymann, M., Garcia-Soriano, D. A., Schwille, P. (2018) The MinDE system is a generic spatial cue for membrane protein distribution in vitro. Nature Communications. Site directed mutagenesis, insertions and deletions to tune the treadmilling dynamics of FtsZ-YFP-mts rings. (in preparation) viii Contents Kurzfassung v Abstract vii Publications viii
doi:10.5282/edoc.23420 fatcat:ayf2c464wjfonnyn7thkk64sce