Dokument: Machines in Motion: Dynamics of Protein Transport, Folding, and Membrane Insertion in Bacteria

Titel:	Machines in Motion: Dynamics of Protein Transport, Folding, and Membrane Insertion in Bacteria
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=74639
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20261008-122400-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Busch, Max [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 46,29 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 06.10.2026 / geändert 06.10.2026
Beitragende:	Prof. Dr. Kedrov, Alexej [Gutachter] Prof. Dr. Schmitt, Lutz [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Correct folding at the right time and place is a prerequisite for proteins to perform their intended cellular function. This task, already nontrivial for soluble cytoplasmic proteins, becomes even more demanding for membrane and secretory proteins, which must navigate the additional barrier of the membrane itself. The Sec translocon is the main portal from the cytoplasm into and beyond the inner membrane. While some proteins reach their destination in the inner membrane, for others, translocation is just the first step of maturation, often assisted by various chaperones. In the first part this thesis focuses on extracellular lipase LipA of Pseudomonas aeruginosa which requires its specific foldase LipH to obtain an active conformation. Here, combination of biochemical analysis and molecular dynamics simulations reveal that membrane-tethered chaperone is highly dynamic, and it interacts with its linker domain and the proximate membrane. Despite these constraints, LipH efficiently activates LipA in different membrane mimetics, albeit with reduced binding affinity in comparison to the isolated chaperoning domain. Mechanistically, we speculate that initial chaperone:client recognition is mediated by stable interactions of the C-terminal MD2 domain of LipH, while the opposing MD1 mediates folding of LipA. Furthermore, the negatively charged membrane environment promotes release of the folded client, enabling repeated chaperone cycles. Together, these findings demonstrate that membrane association and conformational flexibility allow LipH to balance substrate capture, folding, and release, thereby ensuring efficient LipA maturation and secretion. The second part of the thesis focuses on membrane protein folding facilitated by the bacterial insertases SecYEG and YidC. Here, structural and biochemical analysis reveals that nascent membrane proteins can enter the membrane in a conserved back-of-Sec pathway, where YidC is recruited in a substrate-dependent manner. At this interface, YidC facilitates folding of transmembrane helices prior to their insertion into the membrane and engages extensively with the nascent chain. These findings unveil a gate-independent insertion pathway in bacteria and provide new insights into how coordinated action of the multi-subunit insertase machinery ensures efficient membrane protein biogenesis. Although the bacterial membrane is widely recognized as a critical modulator of Sec-mediated transport, the mechanistic understanding of protein:lipid interactions within this system remains comparatively limited. By employing molecular dynamics simulations and in vitro transport assays, the last chapter examines the lipid dependence of the Sec translocon. The results show that the SecY lateral gate preferentially adopts an open conformation in di-oleoyl lipid environments, whereas it remains predominantly closed in palmitoyl-oleoyl lipids, caused by two aromatic residues at the periplasmic end of the transmembrane helix 7. These findings provide a molecular explanation for previously observed lipid-dependent transport deficiencies that cannot be attributed solely to impaired SecA binding, highlighting the critical role of membrane composition in regulating translocon dynamics and thereby function. Die korrekte Faltung zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort ist essentiell dafür, dass Proteine ihre vorgesehene zelluläre Funktion erfüllen können. Für Membran- und sekretierte Proteine ist diese Herausforderung noch größer. Das Sec-Translokon ist das zentrale Portal vom Cytoplasma in die innere Membran und darüber hinaus.Während manche Proteine ihr Ziel in der inneren Membran erreichen, ist für andere die Translokation lediglich der erste Schritt. Der erste Teil dieser Thesis befasst sich mit der extrazelluläre Lipase LipA aus Pseudomonas aeruginosa welche eine spezifische Foldase, LipH benötigt, um eine aktive Konformation einzunehmen. Molekulardynamik-Simulationen und biochemische Analysen zeigen, dass membranverankertes LipH hochdynamisch ist – seine Chaperondomäne wird zeitweise durch Membran und eigene variable Domäne blockiert. Dennoch aktiviert LipH LipA effizient in verschiedenen Membranmimetiken, allerdings mit reduzierter Bindungsaffinität im Vergleich zur isolierten Chaperondomäne. Mechanistisch vermuten wir, dass die initiale Substraterkennung durch stabile Interaktionen der MD2-Domäne vermittelt wird, während MD1 mit transienten Kontakten zur Faltung beiträgt. Darüber hinaus begünstigt die negativ geladene Membran die Freisetzung des gefalteten Substrats und ermöglicht so wiederholte Faltungszyklen. Damit koordinieren Membranassoziation und konformationelle Flexibilität Substratbindung, Faltung und Freisetzung und gewährleisten effiziente Faltung und Sekretion. Der zweite Teil befasst sich mit der Faltung von Membranproteinen, vermittelt durch die bakteriellen Insertasen SecYEG und YidC. Strukturelle und biochemische Analysen zeigen, dass entstehende Membranproteine über einen konservierten "Back-of-Sec"-Weg in die Membran gelangen können, wobei YidC substratabhängig rekrutiert wird. An dieser Stelle erleichtert YidC die Faltung von Transmembranhelices vor deren Insertion in die Membran und interagiert dabei umfassend mit dem neu entsehendem Membranprotein. Diese Ergebnisse decken einen Gate-unabhängigen Insertionsweg in Bakterien auf und liefern neue Erkenntnisse darüber, wie das koordinierte Zusammenwirken der mehrteiligen Insertase-Maschinerie eine effiziente Membranprotein-Biogenese sicherstellt. Obwohl die bakterielle Membran als wichtiger Faktor des Sec-vermittelten Transports anerkannt ist, ist das mechanistische Verständnis von Protein-Lipid-Interaktionen begrenzt. Mittels Molekulardynamik-Simulationen und In-vitro-Transportassays untersucht der dritte Teil dieser Arbeit die Lipidabhängigkeit des Sec-Translokons. Die Ergebnisse zeigen, dass das ‘‘lateral gate“ von SecY in Di-Oleoyl-Lipidumgebungen bevorzugt eine offene Konformation einnimmt, während es in Palmitoyl-Oleoyl-Lipiden überwiegend geschlossen bleibt, verursacht durch zwei aromatische Reste am periplasmatischen Ende der Helix 7. Diese Ergebnisse erklären zuvor beobachtete lipidabhängige Transportdefizite und unterstreichen die entscheidende Rolle der Membranzusammensetzung bei der Regulation der Translokon-Dynamik und damit der Funktion.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Biochemie
Dokument erstellt am:	08.10.2026
Dateien geändert am:	08.10.2026
Promotionsantrag am:	05.08.2026
Datum der Promotion:	25.09.2026