Project

model organism; Caenorhabditis elegans ; nematodes; comparative metabolomics ; secondary metabolites

Lead
Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans dient als wichtiger Modellorganismus in einer Vielzahl entwicklungsbiologischer, genetischer und medizinischer Studien. Doch im Gegensatz zu unserem reichhaltigen Verständnis der Biologie von C. elegans ist über die Gesamtheit der Stoffwechselprodukte (das Metabolom) erstaunlich wenig bekannt. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass Nematoden eine Vielzahl komplexer, modularer Sekundärstoffwechselprodukte durch Verknüpfung von Einheiten aus dem Primärstoffwechsel herstellen, deren strukturelle Vielfalt, Biogenese, biologische Aktivitäten und ökologische Funktion(en) noch weitestgehend unbekannt sind.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts  Ziel des Forschungsprojektes ist die Charakterisierung der strukturellen Vielfalt modularer Verbindungen aus Nematoden mittels vergleichender Analyse der Gesamtheit an Stoffwechselprodukten von C. elegans und mehreren eng verwandten Arten, was eine Klassifizierung von allgemein verbreiteten als auch artspezifischen Substanzen ermöglicht. Modulare Zielverbindungen werden mittels chromatographischer Verfahren aus den komplexen Substanzgemischen isoliert und anschließend mittels einer Kombination analytischer Verfahren wie der Massenspektrometrie (MS) und der Kernspinresonanz-Spektroskopischer (NMR) in Ihrer molekularen Struktur aufgeklärt. Darüber hinaus sollen die Biogenese der modularen Sekundärmetabolite mittels der vergleichenden Analyse von C. elegans Mutanten und dem Einbau von Stabilisotopen-markierten Vorstufen verfolgt und ihre biologische Aktivität in Bioassays untersucht werden. Wissenschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts Die Aufklärung der strukturellen Vielfalt und der Biogenese modularer Sekundärstoffwechselprodukte aus Nematoden ermöglicht einen Einblick in das biosynthetische Potential dieser weitverbreiteten Organismen. Darüber hinaus bildet es die Grundlage für eine funktionelle Charakterisierung der beteiligten Gene in C. elegans, was zu einem ganzheitlichen Verständnis dieses wichtigen Modellorganismus beiträgt. Die Charakterisierung potentieller biologischer Aktivitäten lässt Rückschlüsse auf die ökologische(n) Bedeutung(en) dieser Verbindung zu und zeigt, wie Nematoden mit ihrer Umgebung interagieren.

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Last update: 08.09.2017

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The freeliving bacterivorous nematode C. elegans represents an extremely successful model organism in biology and medicine. However, in contrast to our continuously growing knowledge regarding its genome, transcriptome, and proteome, our understanding of the C. elegans metabolome, especially with regard to the biogenesis and biological function of secondary metabolites is extremely limited.Using comparative metabolomics followed by traditional isolation and structure elucidation techniques, biosynthetic studies, and bioassays, we propose to take up the challenge to study secondary metabolites in nematode exo- and endo-metabolomes. Our preliminary results demonstrate that nematode metabolomes contain a large diversity of complex multimodular components, which combine units from various primary metabolic pathways and whose molecular structures, biosynthetic origins and biological functions are largely unknown. Using a collection of closely related Caenorhabditis species including C. elegans, a MS/MS based comparative metabolomics approach will detect potential modular components and facilitate the identification of efficient producers of these target compounds and thus aid to their subsequent isolation and identification. Furthermore, comparative metabolomics will immediately put a target compound into a biological context, which will facilitate the selection of suitable bioassays for their subsequent functional characterization and thereby help to identify novel signaling components that shape intra- and inter-species interactions between nematodes as well as cross kingdom interactions with their microbial environment. Furthermore, the biosynthesis of novel modular components will be investigated using different food sources, comparative analysis of metabolomes from cultures using bacterial or nematode mutants, as well as experiments utilizing stable isotope labelled precursors in order to gain detailed insights into metabolic pathways and detoxification mechanism, which will further expand the applicability of nematodes in medicinal and biochemical research, and provide a functional characterization of biosynthetic genes that are currently assigned based on homology only. Taken together the proposed research will help to complement the constantly increasing wealth of information regarding the C. elegans genome, transcriptome, and proteome with an in depth analysis of its secondary metabolome in order to finally achieve a holistic understanding of this model organism embedded in a phylogenetic and evolutionary context.