Benjamin Mielich-Süß

• Bacterial functional membrane microdomains (FMMs) are membrane platforms that resemble lipid rafts of eukaryotic cells in certain functional and structural aspects. Lipid rafts are nanometer-sized, dynamic clusters of proteins and lipids in eukaryotic cell membranes that serve as signaling hubs and assembling platforms. Yet, studying these structures can often be hampered by the complexity of a eukaryotic cell. Thus, the analogous structures of prokaryotes are an attractive model to study molecular traits of this type of membrane organization.Bacterial functional membrane microdomains (FMMs) are membrane platforms that resemble lipid rafts of eukaryotic cells in certain functional and structural aspects. Lipid rafts are nanometer-sized, dynamic clusters of proteins and lipids in eukaryotic cell membranes that serve as signaling hubs and assembling platforms. Yet, studying these structures can often be hampered by the complexity of a eukaryotic cell. Thus, the analogous structures of prokaryotes are an attractive model to study molecular traits of this type of membrane organization. Similar to eukaryotic lipid rafts, the bacterial FMMs are comprised of polyisoprenoid lipids, scaffold proteins and a distinct set of membrane proteins, involved in signaling or secretion. Investigating bacterial FMMs not only contributes to the understanding of the physiological importance of FMMs in bacteria, but also helps to elucidate general principles of rafts beyond prokaryotes. In this work, a bacterial model organism was used to investigate effects of synthetic overproduction of the raft scaffolding proteins on bacterial physiology. This overexpression causes an unusual stabilization of the FMM-harbored protease FtsH and therefore the proteolytic targets of FtsH are not correctly regulated. Developmental defects and aberrances in shape are the consequence, which in turn negatively affects cell physiology. These findings may be adapted to better understand lipid raft processes in humans, where flotillin upregulation is detected along with development of neurological diseases. Moreover, it was aimed at understanding the FMM-proteome of the human pathogen Staphylococcus aureus. An in-depth quantitative mass-spectrometry analysis reveals adaption of the protein cargo during different conditions, while maintaining a distinct set of core FMM proteins. As a case study, the assembly of the type VII secretion system was shown to be dependent on FMM integrity and more specifically on the activity of the FMM-scaffold flotillin. This secretion system is important for the virulence of this pathogen and its secretion efficiency can be targeted by small molecules that inhibit flotillin activity. This opens new venues for non-conventional antimicrobial compounds to treat staphylococcal infections.…
• Funktionelle Membranmikrodomänen (FMMs) in Bakterien sind Membranplattformen, die in strukturellen und funktionellen Aspekten mit Lipid Rafts eukaryotischer Zellen vergleichbar sind. Diese Nanometer-großen, dynamischen Protein-/Lipid-Cluster in der eukaryotischen Zellmembran dienen als Signalzentrum und Assemblierungsplattformen. Allerdings ist die Arbeit an diesen Strukturen durch die Komplexität der eukaryotischen Zellen oft eingeschränkt. Daher sind prokayotische Zellen attraktive Modellsysteme, um molekulare Eigenschaften dieser Art vonFunktionelle Membranmikrodomänen (FMMs) in Bakterien sind Membranplattformen, die in strukturellen und funktionellen Aspekten mit Lipid Rafts eukaryotischer Zellen vergleichbar sind. Diese Nanometer-großen, dynamischen Protein-/Lipid-Cluster in der eukaryotischen Zellmembran dienen als Signalzentrum und Assemblierungsplattformen. Allerdings ist die Arbeit an diesen Strukturen durch die Komplexität der eukaryotischen Zellen oft eingeschränkt. Daher sind prokayotische Zellen attraktive Modellsysteme, um molekulare Eigenschaften dieser Art von Membranorganisation zu untersuchen. Ähnlich wie eukaryotische Lipid Rafts, bestehen FMMs aus polyisoprenoiden Lipiden, Scaffold-Proteinen und bestimmten Membranproteinen, die z.B. an Signalweiterleitung und Sekretion beteiligt sind. Die Untersuchung bakterieller FMMs trägt nicht nur dazu bei, die physiologische Relevanz der FMMs in Bakterien selbst zu verstehen, sondern auch um generelle Membranorganisationsprinzipien aufzuklären, die über Bakterien hinausgehen. In dieser Arbeit wurde daher ein bakterieller Modellorganismus benutzt, um Effekte von synthetischer Überproduktion von Raft-assoziierten Scaffold-Proteinen zu untersuchen. Diese Überexpression führt zu einer unüblichen Stabilisierung der Protease FtsH, die in den FMMs zu finden ist, was eine fehlerhafte Regulierung der Zielproteine von FtsH zur Folge hat. Demzufolge sind Entwicklungsdefekte und Anomalien in der Zellform die Konsequenzen, die im Umkehrschluss die Zellphysiologie negativ beeinträchtigen. Diese Ergebnisse können dazu dienen, Lipid-Raft Prozesse in Menschen besser zu verstehen, wo die Hochregulierung von Flotillin im Zusammenhang mit neurologischen Krankheiten steht. Darüber hinaus zielt diese Arbeit darauf ab, das FMM-Proteom des humanen Pathogenes Staphylococcus aureus besser zu verstehen. Eine detaillierte, quantitative Massenspektrometrieanalyse hat ergeben, dass das Proteincargo der FMMs sich zwar verschiedenen Bedingungen anpasst, aber auch ein bestimmtes Kernproteom in allen getesteten Bedingungen beibehält. Als Fallstudie wurde gezeigt, dass die Assemblierung des Typ VII Sekretionssystems von den FMMs, und im Detail von der Aktivität des Scaffoldproteins Flotillin, abhängig ist. Dieses Sekretionssystem ist wichtig für die Virulenzausbildung dieses Pathogenes und die Sekretionseffizienz kann durch kleine Moleküle verringert werden, die die Aktivität von Flotillin inhibieren. Diese Strategie eröffnet neue Möglichkeiten für die Anwendung unkonventioneller, antimikrobieller Substanzen, um Staphylokokken-Infektionen zu behandeln.…