Earlier studies indicated that flagella might play a crucial role in motility, adhesion, and cell-cell contacts of Archaea. Thus, the ultrastructural and functional characterization of flagella and their anchoring in the cell are crucial for understanding the archaeal cell organization in general.
To address this topic, Pyrococcus furiosus was chosen as a suitable model organism. However, in the ...
Abstract (English)
Earlier studies indicated that flagella might play a crucial role in motility, adhesion, and cell-cell contacts of Archaea. Thus, the ultrastructural and functional characterization of flagella and their anchoring in the cell are crucial for understanding the archaeal cell organization in general. To address this topic, Pyrococcus furiosus was chosen as a suitable model organism. However, in the course of this study, morphological changes of this strain, cultured continuously for several years, were demonstrated. These changes resulted in decreased growth and less adhesion of cells. Comparing this strain to another continuous culture and to the wild type strain, it was shown that culturing in the laboratory caused the adaption of cells to an adhesive phenotype. Nevertheless, cell envelope analyses succeeded in the identification of the glutamate dehydrogenase in membrane fractions of P. furiosus. Immuno-localization studies provided evidence that the enzyme is located on the cell surface and a correlation with adhesion was suggested. Besides the different P. furiosus strains, a newly isolated species, Methanocaldococcus sp. KIN24-T80 was analyzed. Results of characterization studies performed herein confirmed the affiliation of the strain to the genus Methanocaldococcus; the distinctiveness from any previously described species was proven by 16S rRNA gene sequence analysis. Ergo, the isolate was described as novel species named Methanocaldococcus villosus referring to its heavy flagellation and its unique striated surface pattern in SEM preparations. Further following the scope of this study, a submembraneous layer below the cytoplasmic membrane was detected in M. villosus and P. furiosus. For both organisms, it was shown to be related to the anchoring of flagella. In the case of M. villosus, it was proven that the layer is associated with a (putative) chemoreceptor array. Moreover, it was demonstrated for P. furiosus, M. villosus, and five other members of the genus Methanocaldococcus that assembly of flagella is induced as a response to surface associated growth, which helps the cells not only to get in tight contact with the solid support but also with each other. Flagella were identified as structural prerequisite for biofilm formation and other components such as pili or surface proteins were shown to be necessary for a more solid adhesion. To sum up, analyses performed in this thesis extend the current knowledge on the cellular and flagellar ultrastructure of Archaea. Based on the data obtained, M. villosus is proposed as a model organism for studying the flagellation and adhesion of archaeal cells.
Translation of the abstract (German)
Im Gegensatz zu bakteriellen Flagellen wurde für archaeelle Flagellen gezeigt, dass es sich um multifunktionelle Organelle handelt, die für die Adhäsion und die Ausbildung von Zell-Zell Kontakten benötigt werden.
Ziel dieser Studie war es, die Ultrastruktur und die Funktion der Flagellen verschiedener Archaeen in Hinblick auf ihre Verankerung zu untersuchen. Um Flagellen-assozierte Proteine ...
Translation of the abstract (German)
Im Gegensatz zu bakteriellen Flagellen wurde für archaeelle Flagellen gezeigt, dass es sich um multifunktionelle Organelle handelt, die für die Adhäsion und die Ausbildung von Zell-Zell Kontakten benötigt werden. Ziel dieser Studie war es, die Ultrastruktur und die Funktion der Flagellen verschiedener Archaeen in Hinblick auf ihre Verankerung zu untersuchen. Um Flagellen-assozierte Proteine analysieren zu können, wurden Zellhüllen von Pyrococcus furiosus isoliert. In der Membranfraktion konnte die Glutamatdehydrogenase identifiziert werden, die mit Hilfe von Immunlokalisationsstudien auf der Oberfläche von P. furiosus detektiert wurde und somit womöglich eine Adhäsionsstruktur darstellt. Jedoch zeigte sich im Verlauf der Analysen, dass die Zellform des Stammes sich stark veränderte und damit das Wachstum und die Adhäsion stark beeinträchtigt waren. Ein Vergleich mit dem Typstamm und einer weiteren Kultur, die über Jahre kontinuierlich im Labor untersucht wurde, machte deutlich, dass die Fähigkeit auf Oberflächen zu wachsen durch die Kultivierung erworben wurde. In einem weiteren Teilprojekt dieser Arbeit wurde die Charakterisierung des Isolates Methanocaldococcus sp. KIN24-T80 abgeschlossen. Es konnte gezeigt werden, dass der Stamm phylogenetisch einen tiefen Zweig innerhalb der Gattung Methanocaldococcus darstellt. Physiologische Tests und elektronenmikroskopische Analysen bestätigten die Zuordnung zu dieser Gattung. Somit konnte das Isolat als neue Art beschrieben werden; es erhielt den Namen Methanocaldococcus villosus aufgrund der ungewöhnlichen Oberfläche in REM-Analysen und seiner vielen Flagellen. Neben M. villosus konnte auch für andere Methanocaldococci und die verschiedene P. furiosus Stämme gezeigt werden, dass die Flagellen bei Oberflächenwachstum deutlich stärker expremiert sind als in planktonischen Zellen. Sie stellen somit eine wichtige Voraussetzung für die Bildung von Biofilmen dar, wobei aber gezeigt wurde, dass andere Strukturen wie zum Beispiel Pili für die Adhäsion benötigt werden. Des Weiteren konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass P. furiosus und M. villosus eine ‚Membran‘ parallel unter der Cytoplasmamembran besitzen, in der die Flagellen inseriert sind und die in M. villosus auch mit (hypothetischen) Chemorezeptoren assoziiert ist. Zusammenfassend konnten mit dieser Arbeit viele neue Einsichten in die Ultrastruktur und Funktionalität von Flagellen und den Zellaufbau von Archaeen gegeben werden. Für diese Untersuchungen stellt M. villosus einen interessanten Modellorganismus dar.
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