title: Flagellen-vermittelte Motilität in Shewanella : Mechanismen zur effektiven Fortbewegung in S. putrefaciens CN-32 und S. oneidensis MR-1
title: Flagella-mediated Motility in Shewanella : Mechanisms for effective motility in S. putrefaciens CN-32 and S. oneidensis MR-1
Creators: name: Bubendorfer, Sebastian
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: lateral
Flagella
Motilität
Schwimmen , Flagelle
Shewanella
Modification
Motility , Glycosylation
dual
Biowissenschaften, Biologie
dual , lateral
Glykosylierung

description: Bakterien können sich mittels der
      Rotation helikaler Proteinfilamente – den Flagellen – höchst
      effizient durch ihre Umwelt bewegen. In einer sich ständig
      verändernden Umgebung ermöglicht diese Art der Fortbewegung
      eine gerichtete Bewegung hin zu optimalen Bedingungen. Über
      ein breites chemosensorisches Potential nehmen Bakterien
      spezifische Reize wahr und reagieren durch eine Modulierung
      der Bewegungsmaschinerie, die Stimulus-abhängige Chemotaxis
      entlang von Gradienten ermöglicht. Verschiedene Habitate
      führen in Mikroorganismen zu einer spezifischen Anpassung der
      Flagellensysteme, was zu einer hohen Variabilität der
      Charakteristika von Flagellensystemen unterschiedlicher
      Organismen führt. Manche Bakterien besitzen neben dem
      primären, meist polaren, Flagellensystem auch sekundäre
      laterale Flagellen, die eine Fortbewegung unter Bedingungen
      ermöglichen, welche die Funktion der polaren Flagelle
      einschränken können. So gewährleisten diese zum Beispiel die
      Fortbewegung in Umgebungen mit hoher Viskosität oder das
      Schwärmen von Zellen über Oberflächen. 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 sekundäres H+-getriebenes
      Flagellensystem, das Ähnlichkeit zu lateralen
      Flagellensystemen anderer Organismen aufweist.
      Erstaunlicherweise produziert eine Subpopulation in S.
      putrefaciens CN-32 ein bis zwei laterale, zufällig
      lokalisierende Flagellen bereits während des exponentiellen
      Wachstums in planktonischer Kultur. Phänotypische 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 zusätzliche laterale
      Flagellen besitzen, eine effektivere, gerichtete
      Schwimmbewegung, die vermutlich mit der effizienten
      Neuorientierung der Zellkörper einhergeht. Eine solche
      Eigenschaft für ein laterales Flagellensystem wurde bisher
      noch nicht beschrieben und könnte daher ein neuartiges System
      zur erfolgreichen Exploration neuer Habitate darstellen. Die
      Präsenz von dualen Flagellensystemen in einer Vielzahl von
      aquatisch vorkommenden Bakterien ist ein Indiz für ähnliche
      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 können. Das
      Flagellenfilament besteht aus den homologen Flagellinen FlaA
      und FlaB, deren posttranslationale Modifizierung essentiell
      für die Assemblierung der Flagelle ist. MS-Untersuchungen,
      sowie im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte
      Genort-spezifische Muta-tionen zeigten, dass FlaA und FlaB an
      mindestens vier Serinen über O-glykosidische Bindungen
      modifiziert werden. Detaillierte Analysen der Modifizierung
      wiesen darauf hin, dass diese sich aus einem
      Pseudaminsäure-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 für die Motilität
      von S. oneidensis MR-1. Die Erkenntnisse dieser Arbeit
      erweitern das Wissen über Flagellen-vermittelte Fortbewe-gung
      in Bakterien und verdeutlichen die Komplexität und
      Variabilität der Flagellensysteme in Bezug auf die
      evolutionäre Anpassung homologer Proteinkomplexe und
      regulatorischer Netzwerke an die Umwelt.
description: 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.