The role of FtsZ treadmilling and torsional stress for bacterial cytokinesis: an in vitro study

In dieser Dissertation studierte ich die „Treadmilling“-Dynamik der GTPase FtsZ in vitro. FtsZ gehort zu den haufigsten Proteinen, die an der bakteriellen Zellteilung beteiligt sind. Da FtsZ in vivo an der Lipid Membran verankert ist und eine ringartige Struktur formt, wurde vermutet, dass FtsZ fur den mechanischen Prozess der Zytokinese Einschnurungskrafte ausubt. Mehr noch als zu testen, ob FtsZ Krafte ausubt, die hinreichend fur die bakterielle Zellteilung sind, soll die hier prasentierte Studie vielmehr Eigenschaften von FtsZ Polymeren aufzeigen um den physikalischen Prozess der Einschnurung zu verste- hen. Zuerst habe ich vorherige Konzepte uber die Rolle von FtsA als naturliches Ankerprotein in Frage gestellt nach Rekonstituierung von FtsZ auf „Supported Lipid Membranes“ (SLBs). Anders als erwartet konnte ich zeigen, dass die FtsZ-YFP-mts Chimare autonom an die Membran binden kann und die Proteine sich auf der Membran zu einer ringartigen Struktur zusammensetzen, abhangig von der Dichte der Proteine auf der Membranoberflache. Dieser Ring weist „treadmilling“ Verhalten auf, welches sich in einer anscheinenden Rotation im Uhrzeigersinn ausert. Bei intermediaren Proteindichten von FtsZ-YFP-mts formten sich Ringe und bei hohen Proteindichten formten sich parallel zueinander liegende Filamente in nematischer Anordnung. Ferner scheint die Entstehung der ringformigen Strukturen, ahnlich der in vivo Situation, eher von der GTPase Aktivitat abzuhangen als von spezifischen Protein-Anker Interaktionen. Um den Einflus von FtsZ auf deformierbare Oberflachen zu untersuchen, habe ich Ver- fahren entwickelt, um FtsZ Ringe an der Ausenseite von gigantischen unilamellaren Vesikeln (GUVs) zu rekonstituieren. Nachdem die Vesikel einem osmotischen Schock ausgesetzt wurden um sie deformierbar zu machen, induzierten die FtsZ Ringe durch „Bohr-Krafte“ nach innen gerichtete Membraneinstulpungen („Membran-Kegel“). Mit den nach innen gerichteten Membraneinstulpungen zeigte FtsZ „treadmilling“ Richtungen sowohl im Uhrzeigersinn, als auch gegen den Uhrzeigersinn. Ferner, um den Einflus von FtsZ auf zylin- drische Geometrien zu untersuchen, habe ich ein neues Verfahren entwickelt, um langliche, weiche, Membranausstulpungen aus GUVs mit Hilfe optischer Pinzetten zu ziehen. Bei GUVs mit FtsZ Ringen an der Membranausenseite und nach innen gerichteten Membraneinstulpungen, wurden die weichen mit der optischen Pinzette gezogenen „Lipid-Rohren“ bemerkenswerterweise durch FtsZ in eine 3D-helikale, federartige Struktur transformiert. Diese helikalen Deformationen lassen sich durch Verdrehen eines elastischen Stabes erklaren. Zusatzlich verursacht die GTPase Aktivitat einen „super-verdrehten“ Zustand der ausgezogenen Lipid Membran, die eine Feder-Kompression verursacht mit Kraften um die 0.6 − 1 pN. Diese GTPase abhangige Feder-Kompression entspricht den Einschnurungen, wenn FtsZ innerhalb von GUVs rekonstituiert wurde. Daher schlage ich vor, dass FtsZ bedingte Einschnurungen durch Torsion erzeugt werden.