Prof. Thomas Wiegert

Bakterien und Biotechnologie

Bakterien werden in der Öffentlichkeit vornehmlich als Krankheitserreger wahrgenommen. Allein aus der Tatsache, dass den Menschen schätzungsweise zehnmal mehr Bakterienzellen bewohnen als er eigene Körperzellen besitzt, wird jedoch die große Bedeutung dieser Kleinstlebewesen im menschlichen Alltag ersichtlich. Ohne Bakterien könnte kein Leben auf der Erde existieren. Aufgrund ihrer immensen Stoffwechselvielfalt und der in der Regel einfachen molekularbiologischen Zugänglichkeit werden Bakterien von der Produktion von Wirkstoffen bis hin zur Bodensanierung in einer Vielzahl von biotechnologischen Prozessen und Verfahren angewendet. Die hohe Persistenz und Produktivität von Bakterien resultiert dabei auch aus der ausgeprägten Fähigkeit, sich an plötzlich veränderte Bedingungen anzupassen. Signale aus der Umwelt führen zur Aktivierung genetischer Programme, die einem Stress entgegenwirken. Die Untersuchung solcher Antworten auf Umweltstress ist sowohl für die grundlagen- als auch anwendungsorientierte Forschung von wichtiger Bedeutung, und kann zur Optimierung energie- und umweltschonender biotechnologischer Prozesse und Herstellungsverfahren, sowie zum Verständnis pathogener Vorgänge, beitragen.

Das Modellbakterium Bacillus subtilis

Bacillus subtilis ist einer der bislang am besten untersuchten Organismen, mit außerordentlich hohem biotechnologischen Potential. Wegen der einfachen Zugänglichkeit für genetische Manipulationen gilt es als Gram-positives Modellbakterium, an dem stoffwechselphysiologische und regulatorische Phänomene grundlegend aufgeklärt wurden. Daneben gehört B. subtilis zu den 'generell unbedenklichen' Mikroorganismen, welcher im Gegensatz zu Escherichia coli uneingeschränkt zur Anwendung in der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie zugelassen ist.

Regulierte intramembrane Proteolyse in Bakterien

Die Spaltung transmembraner regulatorischer Proteine durch "in der Membran schneidende" Proteasen ist an wichtigen Signaltransduktionswegen höherer Organismen beteiligt und beeinflusst dort zelluläre Vorgänge wie Apoptose, Differenzierung, Proliferation und Neurogenese. Fehlgeleitete intramembrane Proteolyse kann zu schwerwiegenden Erkrankungen beim Menschen, wie z.B. die Alzheimer-Krankheit, führen. Seit einigen Jahren gibt es vermehrt Hinweise darauf, dass dieser als 'regulierte intramembrane Proteolyse' (RIP)' bezeichnete Mechanismus auch in Bakterien existiert und eine entscheidende Rolle bei so unterschiedlichen Vorgängen wie Sporulation, Zellteilung, Regulation des Zellzyklus, Pheromon- und Toxin-Produktion, Ausbildung von Biofilmen und vor allem der Stressantwort spielt. In einigen Fällen besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Pathogenität von Bakterien und RIP. Bislang ist jedoch wenig über die Identität und über die molekularen Mechanismen der Regulation der Aktivität der beteiligten Proteasen bekannt.

Das Ziel der Forschungsarbeiten unserer Arbeitsgruppe

Das Ziel unserer Forschungsarbeiten ist, zunächst am Beispiel einer Stressantwort des Gram-positiven Modellbakteriums B. subtilis, RIP im Detail aufzuklären. Wir konnten bislang die Proteasen des ersten ('site-1'; PrsW) und zweiten ('site-2'; RasP) Schritts der regulierten Proteolyse eines spezifischen Transkriptionsfaktors (RsiW) identifizieren und analysieren (Abb. 1). Ferner konnten wir zeigen, dass neben diesen spezifischen Proteasen die Aktivität unspezifischer Peptidasen im extra- und intra-cytoplasmatischen Raum eine wichtige Rolle spielt.

Die Arbeiten sind in einen engen internationalen Forschungsverbund integriert und werden zurzeit mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Eigene relevante Publikationen:

Wiegert, T., G. Homuth, S. Versteeg, and W. Schumann. 2001. Alkaline shock induces the Bacillus subtilis σ^W regulon. Mol. Microbiol. 41:59-71.

Schöbel, S., S. Zellmeier, W. Schumann, and T. Wiegert. 2004. The Bacillus subtilis σ^W anti-sigma factor RsiW is degraded by intramembrane proteolysis through YluC. Mol. Microbiol. 52:1091-1105.

Zellmeier, S., W. Schumann, and T. Wiegert. 2006. Involvement of Clp protease activity in modulating the Bacillus subtilis σ^W stress response. Mol. Microbiol. 61:1569-1582.

Heinrich, J. and T. Wiegert. 2006. YpdC determines site-1 degradation in regulated intramembrane proteolysis of the RsiW anti-sigma factor of Bacillus subtilis. Mol. Microbiol. 62:566-579.

Heinrich, J., T. Lunden, V. P. Kontinen, and T. Wiegert. 2008. The Bacillus subtilis ABC transporter EcsAB influences intramembrane proteolysis through RasP. Microbiology 154:1989-1997.

Heinrich, J., Hein,K., and Wiegert, T. (2009) Two proteolytic modules are involved in regulated intramembrane proteolysis of Bacillus subtilis RsiW. Mol Microbiol 74: 1412-1426.

Zweers, J.C., Wiegert, T., and van Dijl, J.M. (2009) Stress-responsive systems set specific limits to the overproduction of membrane proteins in Bacillus subtilis. Appl Environ Microbiol. 75:7356-64.

Heinrich, J., and Wiegert, T. (2009). Regulated intramembrane proteolysis in the control of extracytoplasmic function sigma factors. Res Microbiol 160: 696-703.

Nicolas, P., Mäder U., Dervyn, E., Rochat, T., Leduc, A., Pigeonneau, N., Bidnenko, E., Marchadier, E., Hoebeke, M., Aymerich, S., Becher, D., Bisicchia, P., Botella, E., Delumeau, O., Doherty, G., Denham, EL., Fogg, M.J., Fromion, V., Goelzer, A., Hansen, A., Härtig, E., Harwood, C.R., Homuth, G., Jarmer, H., Jules, M., Klipp, E., Le Chat, L., Lecointe, F., Lewis, P., Liebermeister, W., March, A., Mars, R.A., Nannapaneni, P., Noone, D., Pohl, S., Rinn, B., Rügheimer, F., Sappa, P.K., Samson, F., Schaffer, M., Schwikowski, B., Steil, L., Stülke, J., Wiegert, T., Devine, K.M., Wilkinson, A.J., van Dijl, J.M., Hecker, M., Völker, U., Bessières, P., Noirot, P. (2012) Condition-dependent transcriptome reveals high-level regulatory architecture in Bacillus subtilis. Science 335:1103-6.