Regulation der Schwermetall-Homöostase in Ralstonia metallidurans

Schwermetalle sind als Spurenelemente für Redox-Reaktionen und für Komplexverbindungen essentiell für alle Lebewesen, sie sind jedoch wegen der gleichen Eigenschaften auch toxisch in höheren Konzentrationen. Wie alle anderen Lebewesen muß auch das Gram-negative Bodenbakterium Ralstonia spec. CH34 (früher Alcaligenes eutrophus) seine intrazelluläre Schwermetall-Konzentration sorgfältig einstellen, um Hunger oder Vergiftung zu entgehen. Der untersuchte Stamm CH34 kann dies besonders gut, da er über Plasmid-kodierte Schwermetall-entgiftende Effluxsysteme verfügt, die die Metall-Kationen bei zu hohen intrazellulären Konzentrationen aktiv aus der Zelle entfernen. Dieser Eigenschaft verdankt Stamm CH34 seine weite Verbreitung in vielen extrem Schwermetall-belasteten Standorten der Welt, wo er bis zu 40% der kultivierbaren Bakterienflora ausmachen kann Wir haben begonnen zu verstehen, wie bei essentiellen aber gleichzeitig toxischen Schwermetallen (z. B. Zn2+, Co2+, Ni2+) Transportsysteme beim Erreichen der Metall-Homöostase zusammenarbeiten. Dabei belegen Familien von Transportern unterschiedliche Konzentrationsbereiche, begonnen bei induzierbaren ABC-Importern mit periplasmatischen Bindeproteinen für extrem niedrige Konzentrationen über P-typ ATPase-, HoxN-, und CorA-Importer, CDF-, und P-typ-Exporter bis hin zu CBA-Transenvelope Effluxsystemen, wobei nicht jeder Organismus für jedes Metall einen Repräsentanten jeder Familie besitzen muß. Die Konzentrationsbereiche überlappen sich vom aM in den mM Bereich. Zusätzlich können die Transportvorgänge mit anderen physiologischen Vorgängen (Metall-Komplexierung und -Reduktion) interagieren.
Das Projekt soll sich mit der Regulation des Czc-Systems beschäftigen, das als top level CBA-Transenvelope-Transporter durch einen Efflux über die gesamte Zellwand hinweg Co2+, Zn2+ und Cd2+ entgiftet und chemiosmotisch angetrieben wird (Nies, 1995; Rensing e t al., 1997; Goldberg et al., 1999) . Die Regulation von Czc ist komplex und umfaßt mindesten sieben Komponenten. Hohe cytoplasmatische Metall-Konzentrationen, wie sie nur bei shift-up-Ereignissen auftreten, bewirken über das Zweikomponenten-Regulations-System CzcRS primär eine CzcR-abhängige Transkription des czcNICBA -Operons vom czcNp -Promotor, wodurch der Effluxkomplex CzcCBA und die beiden Proteine CzcN und CzcI exprimiert werden. Als Arbeitshypothese bindet CzcN einen unbekannten ECF-Sigma-Faktor, CzcI komplexiert Metalle im Periplasma und vermittelt dann eine Freisetzung des Sigma-Faktors. Dieser transkribiert dann CzcR-unabhängig czcICBA von czcIp, czcCBA von czcCp und czcDRS von czcDp. CzcD transportiert die Metall-Ionen aus dem Cytoplasma in Periplasma, wodurch sie entgiftet werden, aber auch asl Signal wirken. Ein neuer Faktor, CzcE, wirkt wahrscheinlich als CzcI-Antagonist (Nies, 1992; Nies, 1997; van der Lelie et al., 1997; Anton et al., 1999; Große et al., 1999; Große et al., 1999) . Diese hoch komplexe Regulation könnte auf der Differenzierung des Metall-Resistenz von CH34 in eine gesonderte Co2+-Zn2+-Cd2+- und eine Co2+-Ni2+-Resistenz beruhen (Grass et al., 1999).
Definition des zu bearbeitenden Problems Durch den Einsatz genetischer und biochemischer Methoden soll das regulatorische Netzwerk, das für die Metall-Homöostase von Ralstonia spec. CH34 bei hohen Zink-Konzentrationen verantwortlich ist, aufgeklärt und quantitativ beschrieben werden.