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Abstract
  • Specific protein-DNA interaction is fundamental for all aspects of gene expression. A regulatory model system is the biosynthesis of exopolysaccharides (EPS) in the nitrogen-fixating bacterium Sinorhizobium meliloti 2011. These sugar polymers promote the bacterium's symbiosis with alfalfa plants, a process of agricultural importance.
    The EPS biosynthesis is controlled by a complex interplay of several proteins, most prominently the transcriptional activator ExpG. Using single molecule experiments, this work demonstrates that the protein ExpG binds to three different DNA target sequences in a sequence specific manner, albeit with distinct differences in the energy landscape. Dynamic force spectroscopy based on the atomic force microscope (AFM) proves to be sensitive even to small variations of the binding motif. Experiments with DNA mutants lead to a deeper understanding of the binding mechanism.
    The method is then applied to a more complex interaction from the same regulatory system. The binding of the quorum sensing receptor ExpR to its DNA target sequence is stimulated by an acyl-homoserine lactone (AHL) effector molecule. Dynamic force spectroscopy yields detailed information about the AHL spectrum, revealing differences in the energy landscape of the protein-DNA interaction depending on the stimulating effector.
Zusammenfassung
  • Spezifische Protein-DNA-Interaktion ist von grundlegender Bedeutung für alle Aspekte der Genexpression. Ein regulatorisches Modellsystem stellt die Biosynthese von Exopolysacchariden (EPS) im Bakterium Sinorhizobium meliloti 2011 dar. Diese Zuckerpolymere befördern die Symbiose des Bakteriums mit Alfalfa-Pflanzen, die der Fixierung von molekularem Stickstoff dient - ein Prozess von landwirtschaftlicher Bedeutung.
    Die EPS-Biosynthese wird von einem komplexen Wechselspiel mehrerer Proteine kontrolliert, unter denen der Transkriptionsaktivator ExpG hervorsticht. Durch Einzelmolekülexperimente weist diese Arbeit nach, dass das Protein ExpG sequenzspezifisch an drei verschiedene DNA-Zielsequenzen bindet. Dabei zeigen sich jedoch charakteristische Unterschiede in der Energielandschaft der Interaktion. Dynamische Kraftspektroskopie basierend auf dem Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) ist in der Lage, selbst kleine Variationen des Bindemotivs zu detektieren. Experimente mit DNA-Mutanten führen dann zu einem tieferen Verständnis in Bezug auf den Mechanismus der Bindung.
    Die Methode wird anschließend auf eine komplexere Wechselwirkung aus demselben regulatorischen System angewendet. Die Bindung des Quorum-Sensing-Rezeptors ExpR an seine DNA-Zielsequenz wird durch Acyl-Homoserinlacton(AHL)-Effektoren stimuliert. Dynamische Kraftspektroskopie liefert Detailinformationen über das AHL-Spektrum: Es zeigen sich Unterschiede in der Energielandschaft der Protein-DNA-Interaktion in Abhängigkeit des stimulierenden Effektors.
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