 |
Unique Principles in an Ancient Biological System: Structural and Functional Properties of Bacterial Filament Proteins
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
107776 |
| Type |
NN |
| Principal investigator |
Nyitrai, Miklós |
| Title in Hungarian |
Egy ősi biológiai rendszer sajátosságai: bakteriális filamentumok szerkezeti és funkcionális tulajdonságai |
| Title in English |
Unique Principles in an Ancient Biological System: Structural and Functional Properties of Bacterial Filament Proteins |
| Keywords in Hungarian |
polimerizáció, funkcionális dinamika, fehérje, fluoreszcencia spektroszkópia, mikroszkópia |
| Keywords in English |
polymerisation, functional dynamcis, proteins, fluorescence spectroscopy, microscopy |
| Discipline |
| General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 35 % | | Ortelius classification: Enzimology | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 35 % | | Ortelius classification: Molecular design, de novo design | | Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Molecular biophysics |
|
| Panel |
Molecular and Structural Biology and Biochemistry |
| Department or equivalent |
Institute of Biophysics (University of Pécs) |
| Participants |
Barkó, Szilvia
Kengyel, András
Lukács, András
Szatmári, Dávid Zoltán
Szeiliné Dr. Türmer, Katalin
Ujfalusi, Zoltán
|
| Starting date |
2013-01-01 |
| Closing date |
2015-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
25.188 |
| FTE (full time equivalent) |
5.40 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A baktériumok alakja nagyon sokféle lehet. A prokarióta fehérje filamentumokat csoportosíthatjuk úgy, mint aktin szerű (pl. MreB), tubulin szerű (pl. FtsZ) és intermedier filamentum szerű (pl. crestentin) fehérjék. A MreB fehérje család tagjai a MreB, MreB szerű fehérje (Mbl), MreHB, FtsA, ParM, Alfa és a MamK. A MreB meghatározó szerepet tölt be a bakteriális sejtfal felépülésében, és ugyancsak részt vesz a sejt alakjának és kiterjedésének a szabályozásában. Ezeket a funkciókat vélhetően helikális szerkezetű polimerek kialakításán keresztül, mint egy spirál alakú molekuláris pálya tölti be. Ezen celluláris folyamatokban a vonatkozó fehérjék elhelyezkedése és funkciója térben és időben szigorúan szabályozott. Intézetünk komoly vonatkozó hagyományaira, és a kollaborációs labor jártasságára és tapasztalataira építve az lesz a célunk, hogy megkeressük és jellemezzük a MreB funkciója (biokémiai módszerek, spektroszkópia, kalorimetria és további biofizika módszerek), mechanikai tulajdonságai (biomimetikus eljárások), sejten belüli lokalizációja (konvencionális, multifoton, szuper felbontású és TIRFM mikroszkópia) és szerkezete (elektron mikroszkópia, röntgen diffrakciós szerkezeti módszerek) közötti összefüggéseket. A vizsgálatok átfogó és részletes leírást adnak majd a bakteriális filamentumok működését és szabályozását illetően és a feltárt molekuláris mechanizmusok támpontot jelentenek majd az eukarióta citoszkeleton megértéséhez is. Továbbá, a megismert összefüggések hozzájárulhatnak majd új antibakteriális hatóanyagok kifejlesztéséhez is.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Sokáig tartotta magát az a dogma, hogy a prokarióta sejteknek nincs citoszkeletonja. Az elmúlt húsz év azonban rámutatott a bakteriális filamentum rendszerek jelentőségére, összetett funkcióira. A kutatások során célunk lesz annak a csatolásnak a leírása lesz, amely a bakteriális fehérjék funkciói (biokémiai módszerek, spektroszkópia, kalorimetria és vonatkozó biofizikai módszerek), mechanikai tulajdonságai (biomimetikus eljárások), sejten belüli lokalizációja (konvencionális, multifoton és szuper felbontású mikroszkópia, TIRFM) és szerkezete (elektron mikroszkópia és röntgen diffrakciós szerkezet meghatározás) között van. A kérdéskör kibontása során a következő kérdések megválaszolása lesz a célkitűzésünk:
In vitro vizsgálatok
• Milyen alapvető kinetikai lépések és konformációs átmenetek jellemzik a bakteriális fehérjék polimerizációját? Milyen hatással vannak a környezeti paraméterek a polimerizációra?
• Hogyan hatnak kölcsön a kialakult filamentumok a kötőpartnereikkel? Milyen kinetikai és termodinamikai jellemzői vannak ezen kölcsönhatásoknak?
• Milyen erők ébrednek a filamentumok polimerizációja során? Ezek az erők nagyságrendileg megfelelnek-e azoknak az elvárásoknak, amiket a biológiai funkció támaszt?
In vivo vizsgálatok
• Hogyan épül fel a filamentumok hálózata élő sejtekben? A polimerizáció szerepe az erőkifejtés, vagy a fehérje funkciójának a szabályozása?
• Hogyan jön létre a filamentumok munkája,ha ezekben a sejtekben nincsenek motorfehérjék?
Szerkezeti vizsgálatok
Milyen összefüggések állnak fenn a bakteriális fehérjék szerkezete és funkciója között? Milyen hatással vannak a környezeti paraméterek a fehérjék szerkezetére?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A biológiai filamentumok által kifejtett erők számos sejt funkció megvalósulásában játszanak kitüntetett szerepet. Ezeknek az erőknek, a szabályozásuknak, és a kialakulásuk hátterében meghúzódó molekuláris mechanizmusoknak a megértése összetett interdiszciplináris projektek eredményeként valósítható meg, ehhez meg kell ismerni a vonatkozó fehérjék enzimatikus és szerkezeti tulajdonságai között összefüggéseket. A tervezett kutatások során vizsgálni fogjuk ezeket az összefüggéseket egyes (MreB fehérje család) bakteriális fehérjék esetében az egyedi molekulák szintjétől a sejtes szerveződésekig. Megítélésünk szerint a projekt eredményeképpen egy átfogó és részletes képet festhetünk majd ezen összetett és szorosan szabályozott rendszerek működéséről. A prokarióta filamentumok megértésén keresztül ugyanakkor közelebb kerülhetünk az eukarióta citoszkeletális hálózatok megismeréséhez is. A munkánknak van ugyanakkor egy másik fontos aspektusa is. Számos bakteriális fertőzés kezelése során jelentős problémát okoz a betegekben korábban kialakult multidrog rezisztencia. A probléma széles körben, és napjainkban egyre erőteljesebben jelentkezik. A megoldás egyik módja lehet új antibakteriális terápiák kifejlesztése és alkalmazása. Ezen új terápiákat akkor lehet hatékonyan tervezni, ha a bakteriális sejtek új molekuláris mechanizmusait ismerjük meg. A projekt során keletkezett eredmények ennek megfelelően előrelépést jelenthetnek ezen új terápiás stratégiák megtervezésében és megvalósításában is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Csak nemrégen igazolódott be, hogy bakteriális sejtekben is vannak filamentális fehérje hálózatok. Ezeknek a hálózatoknak a működésével és szabályozásával kapcsolatosan jelenleg sok kérdésben hiányosak az ismereteink. Kutatásaink során számos biológiai és biofizikai módszert fogunk alkalmazni annak érdekében, hogy a bakteriális filamentumok működését pontosabban megérthessük. Vizsgálataink ennek megfelelően egy átfogó és részletes képet festenek majd ezen összetett és szorosan szabályozott rendszerek biológiai funkciójáról. Így egy olyan modellt is kapunk, amelynek segítségével a még bonyolultabb, eukarióta citoszkeletális hálózatok megismerése felé is lépéseket tehetünk majd. A munkánknak van ugyanakkor egy másik fontos aspektusa is. Számos bakteriális fertőzés kezelése során jelentős problémát okoz a betegekben korábban kialakult multidrog rezisztencia. A probléma széles körben, és napjainkban egyre erőteljesebben jelentkezik. A megoldás egyik módja lehet új antibakteriális terápiák kifejlesztése és alkalmazása. Ezen új terápiákat akkor lehet hatékonyan tervezni, ha a bakteriális sejtek új molekuláris mechanizmusait ismerjük meg. A projekt során keletkezett eredmények ennek megfelelően előrelépést jelenthetnek ezen új terápiás stratégiák megtervezésében és megvalósításában is.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Bacteria can be found in great variation of shapes. Prokaryotic filamental proteins can be grouped based as actin-like (e.g. MreB), tubulin-like (e.g. FtsZ) and intermediate filament-like (e.g. crescentin) bacterial proteins. The MreB family of actin like proteins includes MreB, MreB like protein (Mbl), MreHB, FtsA, ParM, Alfa and MamK. MreB is a coordinator of cell wall synthesis. It also regulates cell width and the extension of cells, probably by forming helical filaments and acting as a spiral track spanning the cell length. These processes require spatial and temporal control of the positioning of the corresponding proteins in cells. Based on the long standing traditions of our Department, and the expertise of the collaborating lab the aim of the proposed project is to characterise the coupling between the function (biochemical assays, spectroscopy, calorimetry and related biophysical methods), mechanical properties (bead based biomimetic assays), cellular localisation (conventional, multiphoton and super resolution fluorescence microscopy and TIRFM) and structure (electron microscopy (EM) and X-ray diffraction). The proposed project will provide a coherent and informative set of information regarding numerous functional and structural properties of the bacterial filaments. The information gained regarding the bacterial filaments will also provide new opportunities to understand the evolution of the molecular mechanisms in the function and regulation of the eukaryotic filament systems. We also expect that the project will identify new targets for antibacterial drugs.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The existence of bacterial filaments and cytoskeleton has been debated for a long time. Only in the past two decades has it become accepted that bacteria are internally organised and have complex cytoskeleton similar to eukaryotic cells. In the proposed project we will describe the coupling between the function (biochemical assays, spectroscopy, calorimetry and related biophysical methods), mechanical properties (bead based biomimetic assays), cellular localisation (conventional, multiphoton and super resolution fluorescence microscopy and TIRFM) and structure (electron microscopy (EM) and X-ray diffraction). The specific questions addressed during the project will include
In vitro investigations
• What are the key conformational transitions and kinetic steps in the polymerisation of bacterial proteins? How the environmental parameters and nucleotides affect this process?
• How do the filaments interact with their binding partners? What are the kinetic constants and thermodynamic parameters describing their interaction?
• What is the magnitude of the force that can be generated by the polymerisation of these filaments? Is this force scale with the one needed for shape maintenance or chromosome segregation?
In vivo investigations
• How do the filaments form in bacterial cells? Is polymerisation to create force, or to regulate function?
• How do these filaments produce force, since motor proteins are not present in bacteria?
Structural studies
• What is the correlation between the functional and structural properties of the bacterial filaments? How are the effects of environmental parameters reflected in the 3D protein structures?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Systems of mechanical forces generated from the polymerisation of protein filaments are responsible for many cellular functions. Understanding these forces calls for interdisciplinary approaches, as describing conformational changes and correlating them to the enzymatic and structural properties are the key elements to understand their biological functions. We will study bacterial filaments from single molecules to in vivo functional supra-molecular and cellular systems. We expect that the proposed project will provide a coherent and informative set of information regarding numerous functional and structural properties of the bacterial filaments. The knowledge of the conformation and function of bacterial filaments will also provide new opportunities to understand the evolution of the molecular mechanisms in the function and regulation of the eukaryotic filament systems.
Discovering and characterising new interactions and molecular processes in the function and reproduction of bacterial cells will identify new targets for antibacterial drugs, i.e. the results can provide opportunities to open new avenues for research for novel drug targets. The major problems caused by multi-drug resistance in nowadays medical treatments underline the importance of this latter benefit of the project.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
It has been shown only recently, that bacterial cells have filamentous protein systems. The function and regulation of these bacterial filaments is still unclear from numerous aspects. In our studies we will investigate the corresponding molecular mechanisms by using various biological and biophysical methods. The results will provide a coherent and informative set of information regarding the functional and structural properties of the bacterial filaments. The description and understanding of the conformation and function of bacterial filaments will also serve as simple models for the cytoskeleton of eukaryotic cells, and thus will provide new opportunities to clarify ambiguous molecular mechanisms in the function and regulation of the actin based filament systems.
Discovering and characterising new interactions and molecular processes in the function and reproduction of bacterial cells will identify new targets for antibacterial drugs, i.e. the results can provide opportunities to open new avenues for research for novel drug targets. The major problems caused by multi-drug resistance in nowadays medical treatments underline the importance of this latter benefit of the project.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
