Isolierung und Charakterisierung von Spirochaeten aus dem Termitendarm

Termiten beherbergen in ihrem Darm eine einzigartige Flora aus Bakterien, Archaeen, Flagellaten und Hefen. Diese symbiontische mikrobielle Gemeinschaft ist am Abbau von komplexen organischen Verbindungen beteiligt und ermöglicht es den Termiten schwer abbaubares Material wie Holz als Nahrungsquelle zu nutzen. Spirochaeten, eine Gruppe beweglicher Bakterien die sich durch ihre besondere Morphologie und Art der Fortbewegung von allen anderen Mikroorganismen abgrenzen lassen, gehören zu den häufigsten Bakterien im Termitendarm. Ziel der Arbeit war die Isolierung und Charakterisierung bislang unbekannter Spirochaeten aus Termitendärmen. Aus drei niederen Termitenarten konnten sechs spirochaetale Stämme gewonnen und identifiziert werden. Die Isolate ließen sich anhand der 16S rRNA Gensequenzen den Gattungen Treponema und Spirochaeta zuordnen. Im Gegensatz zu allen bislang charakterisierten Spirochaeten zeigte der Stamm SPN1 aus der Termite Neotermes castaneus eine kokkoide Zellform und war unbeweglich. Der Organismus wurde daher als neue Art, Spirochaeta coccoides sp. nov., beschrieben. Bei allen gewonnenen Isolaten handelt es sich um strikt anaerobe Organismen die verschiedene Mono-, Di- und Oligosaccharide fermentieren. Als wesentliche Stoffwechselprodukte konnten Acetat und Ethanol (sowie Formiat bei einem Stamm) identifiziert werden. Weiterhin konnten bei den untersuchten Stämmen eine Reihe von enzymatischen Aktivitäten nachgewiesen werden, die für den Abbau von Lignocellulose im Termitendarm von Bedeutung sind. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Spirochaeten eine wichtige Rolle bei der Fermentation von Abbauprodukten der Lignocellulose im Termitendarm spielen.

Biomimese biologischer Membranen: Konzeptionierung, Synthese und biophysikalische Charakterisierung einer Hierarchie festkörpergestützter Mimikry biologischer Membranen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei neue Modelle zur funktionellen Mimiese biologischer Membranen im Bereich der Bionanotechnologie entwickelt. Um den Rahmen der notwendigen Faktoren und Komponenten für biomimetische Membranmodelle abzustecken, wurde das biologische Vorbild im Bezug auf Zusammensetzung, Organisation und Funktion analysiert. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse erlauben das Erreichen von biologisch relevanten Membranwiderständen im Bereich von mehreren MOhm cm2 und eine gute lokale Fluidität. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Hierachie unterschiedlich stark von der Festkörperoberfläche entkoppelter Membranen zur Vergrößerung des submembranen Raumes. Diese Ziele konnten realisiert werden. Das auf archaealen Etherlipiden basierende DPTL-System wurde analog dem biologischen Vorbild stereoselektiv synthetisiert und ist in der Lage die Membran bei maximaler Elongation des TEG-Spacers mit mehr als 2 nm von der Oberfläche zu entkoppeln. Die erzielten Wiederstände liegen im hohen ein- bis zweistelligen MOhm-Bereich, die Kapazität entspricht mit 0,5 µF cm-2 ebenfalls dem Wert biologischer Membranen. Die Membraneigenschaften wurden mit Hilfe von SPS, EIS, IR-Spektroskopie, QCM, AFM und Kontaktwinkelmessungen charakterisiert. Die Funktionalität und lokale Fluidität der DPTL-Membran konnte anhand des Valinomycin vermittelten K+-Transports über die Membran gezeigt werden. Fluide Elektroden oder laterale Verdünnung mit TEGL erlauben den Einbau größerer Ionenkanäle. Lipo-Glycopolymere (LGP) mit unterschiedlichen Kettenlängen wurden mit Hilfe der kontrollierten radikalischen Polymerisation mit einer PD < 1.2 synthetisiert. Es zeigte sich, daß die Vororientierung der LGPs auf dem LB-Trog, gefolgt von einem LB-Übertrag auf einen funktionalisierten Träger mit photoreaktivem SAM, nach Belichten des Systems zu einer verlässlichen kovalenten Anbindung der supramolekularen LGP-Architektur führt. Da die Lipo-Glycopolymerketten am Glycopolymerterminus nur mit oberflächennahen Repetiereinheiten an die photoaktivierte Oberfläche binden, sind sie in der Lage Oberflächenrauhigkeiten des Festkörpersubstrates auszugleichen. Die photochemische Immobilisierung von funktionell orientierten supramolekularen LGP-Architekturen auf Goldoberflächen resultiert in tBLMs mit großen vertikalen Enkopplungen der Membran von der Festkörperoberfläche (>8 nm). Der funktionelle Ionentransport von Kaliumionen durch Valinomycin zeigt eine ausreichende lokale Fluidität der Membran die mit einem guten Membranwiderstand (mehrere MOhm) kombiniert ist. Große Membran-Oberflächenentkopplungen konnten mit Hilfe plasmapolymerisierter elektrophiler Polymere erreicht werden. Filmdicken von 50 nm sind mit homogener Oberfläche und Rauhigkeiten im Bereich von Nanometern möglich. Das System zeigt interessante fluide Eigenschaften mit guten Erholungsraten bei FRAP-Experimenten (Diffusionskonstanten von etwa 17 mikro m2 s-1). Die elektrischen Eigenschaften liegen mit Widerständen von wenigen kOhm unterhalb der für gute Membranmimikrie notwendigen Werte. Erstmalig konnte gezeigt werden, daß mit Hilfe dieser Methode inerte Polymere/Plastikträger (zum Beispiel Polypropylen und TOPAS) in effizienter Weise kovalent mit reaktiven Polymeroberflächen modifiziert werden können (Anwendung als DNA-Chip ist beschrieben).

Caratteristiche geochimiche di camini carbonatici legati ad emissioni di gas metano in ambiente di piattaforma

L’emissione spontanea di fluidi profondi in superficie è stata storicamente oggetto d’interesse, soprattutto per le informazioni che può fornire per l’esplorazione d’idrocarburi presenti in diverse tipologie di reservoirs associati a tale fenomeno. In questo lavoro di tesi è stato esplorato il fenomeno legato all’emissione spontanea di fluidi ricchi di metano in ambiente sottomarino che genera la precipitazione di carbonati autigeni metano-derivati (MDAC), come conseguenza dell’ossidazione anaerobica del metano da parte di consorzi formati da batteri solfato-riducenti e Archaea. In particolar modo sono state studiate le caratteristiche geochimiche e mineralogiche di una concrezione carbonatica (camino EN5) fossile campionata nell’Appennino settentrionale e dei sedimenti incassanti, che sono peliti di ambiente di piattaforma continentale. Questo perché è stato dimostrato che le concrezioni carbonatiche possono avere relazioni con i sedimenti in cui sono contenute. La scansione XRD ha evidenziato che il camino è composto all’80% da dolomite, poi contiene quarzo, plagioclasi e calcite ma soltanto nella fascia esterna (a contatto con il sedimento). Il sedimento invece è composto da quarzo, plagioclasi (in quantità maggiori rispetto al camino), calcite (di origine biogenica) e dolomite soltanto in tracce. L’analisi elementare del TOC mostra una concentrazione media di 0,5% comune sia al camino sia al sedimento. Le concentrazioni assolute degli altri elementi investigati sono minori nel camino che nei sedimenti, anche se i valori normalizzati all’Al mostrano un arricchimento di alcuni elementi nella parte interna del camino. Questo studio ha permesso di stabilire che la formazione di carbonati autigeni metano-derivati in un ambiente di piattaforma, è possibile solo quando sono presenti le giuste condizioni sedimentarie e un flusso di metano piuttosto intenso. Inoltre la formazione dei carbonati non risente, se non in minima parte, della composizione dei sedimenti ospitanti, ma è regolata dai processi accoppiati di solfato-riduzione e ossidazione del metano.

Mikrobiologie der Fermentation in NawaRo-Biogasanlagen unter besonderer Berücksichtigung des Abbaus von Propionsäure

In NawaRo-Biogasanlagen (BGA) kann es durch das Angebot an leicht fermentierbaren Kohlenstoff¬quel¬len zu einer bakteriell bedingten Übersäuerung durch unerwünschte kurzkettige Fettsäuren kommen. Häufiger kommt es zur Akkumulation von Propionsäure. Methanogene Archaea können bei niedrigen pH-Werten nicht mehr wachsen. Somit kann der gesamte Prozess der mikrobiellen Bildung von Biogas zum Erliegen kom¬men, was für die Biogasbetreiber zu erheblichen finanziellen Verlusten führt. Das Ziel dieser Disserta¬tion war die Aufklärung der anaeroben bakteriellen Population, die in Biogasanlagen Propionsäure ab¬bauen kann. Aus Propionat entsteht dabei Acetat und Wasserstoff. Da dieser anaerobe Prozess endergon verläuft, kann Propionsäure anaerob nur abgebaut werden, wenn der Wasserstoffpartialdruck niedrig ge¬halten wird. Diese Aufgabe erfüllen in Biogasanalgen methanogene Archaea. Die sog. sekundären Gärer leben somit in synthropher Kultur mit methanogenen Archaea.rnIn dieser Arbeit wurden die Mikroorganismen von Propionsäure-abbauenden Anreicherungskulturen aus vier NawaRo-BGA‘s identifiziert und ihr Substrat- und Produktspektrum analysiert. Die Anreicherungskul¬turen wurden vom Prüf- und Forschungsinstitut e. V. in Pirmasens zur Verfügung gestellt. Durch Analyse der bakteriellen 16S rDNA-Sequenzen der erhaltenen stabilen Propionsäure-abbauenden Mischkulturen wurde gezeigt, dass sich unter den Bakterien hauptsächlich Verwandte von den Clostridiales, aber auch Bacteroides sp., δ-, ε- so¬wie γ-Proteobakterien, Spirochäten, Synergistales und ungewöhnlicher Weise auch Thermotogales befanden. Aus Propionsäure-abbauenden Mischkulturen und aus Fermentern mesophiler NawaRo-Biogasanlagen wurden anaerobe Bakterien und methanogene Archaea angereichert und isoliert. Es wurden aus den Propionsäure-abbauenden Mischkulturen Stämme in Reinkultur erhalten, die entsprechend der 16S rDNA-Analyse als Clostridium sartagoforme Stamm Ap1a520 und Proteiniphilum acetatigenes Stamm Fp1a520 identifiziert wurden. Sowohl aus Fermentern und Nachgärern von drei NawaRo-BGA‘s als auch aus zwei Laborfermentern des Leibniz-Instituts für Agrartechnik in Potsdam-Bornim e.V. (ATB) wurden Reinkulturen von methanogenen Archaea erhalten. Diese konnten den Species Methanobacterium formicicum, Metha¬noculleus bourgensis, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, Methanosarcina sp., Methanosaeta concilii und Methanomethylovorans sp. zugeordnet werden. Damit wurden in dieser Arbeit unter anderem die typischen bisher nur durch molekularbiologische Methoden identifizierten Species methanogener Ar¬chaea aus unterschiedlichen Fermentern in Reinkultur erhalten. Dabei wurde gezeigt, dass die specifically amplified polymorphic DNA-PCR (SAPD-PCR) eine geeignete Methode darstellt, Stämme der gleichen Art methanogener Archaea voneinander zu unterscheiden. Die Methanproduktion der kultivierten methanoge¬nen Archaea wurde gaschromatographisch analysiert. Es zeigte sich, dass die hydrogenotrophe Metha¬nogenese der effizientere und ergiebigere Weg zur Bildung von Methan ist. Mit der Bestimmung der Zellzahl des Isolates Methanoculleus bourgensis Stamm TAF1.1 bei gleichzeitiger Messung der Methanbildung wurde gezeigt, dass die Methanbildung nicht zwangsläufig mit dem Wachstum korreliert. Ne-ben Pflanzenfasern beinhalteten das hergestellte Reaktorfiltrat in den Kultivierungsansätzen Acetat, die essentielle Aminosäure Valin und den Zuckeralkohol Glycerol. Gezielte Misch¬kul¬turen von sekundären Gärern mit methanogenen Isolaten ergaben einen fördernden Einfluss auf diese Bak¬terien durch hydrogenotrophe Archaea. Diese Bakterien bauten Substrate ab oder bildeten Produkte, die sie unter den gegebenen Bedingungen ohne hydrogenotrophe Archaea nicht umsetzen konnten.

Propionsäureabbau in NawaRo-Biogasanlagen

Die Energiewende ist begleitet von dem Ausbau erneuerbarer Energien. Dabei spielt die Energiegewinnung aus Biomasse eine wichtige Rolle. Der optimale Betrieb einer Biogasanlage erfordert eine stabile Methanproduktion, welche jedoch durch die Akkumulation von Propionsäure nachhaltig gestört werden kann. Aus diesem Grund ist der mikrobielle Abbau dieser Substanz von besonderem Interesse. Die Thermodynamik des anaeroben bakteriellen Abbaus von Propionsäure erfordert die syntrophe Verwertung des entstehenden Wasserstoffs durch Wasserstoff-verbrauchende Mikroorganismen, beispielsweise methanogene Archaea.rnMit dem Ziel, die Erkenntnislage der Propionat-Verwertung in NawaRo-Biogasanlagen zu erweitern, sollten Propionat-verwertende Anreicherungskulturen aus NawaRo-Biogasanlagen etabliert, charakterisiert und molekularbiologisch analysiert werden.rnAus landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden reproduzierbar Propionat-verwertende Anreicherungskulturen mittels anaerober Kultivierungstechniken etabliert. Die anaerob Propionat-verwertende Aktivität der Kulturen blieb über Jahre erhalten und konnte unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert werden. Die Analyse der sukzessiven Diversität von vier Anreicherungskulturen ermöglichte einen Einblick in die sich während der Propionat-Verwertung sukzessiv verändernde mikrobielle Diversität. Dabei wurden die aus der 16S rDNA-Analyse resultierenden Sequenzcluster MP-1 (Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp.), MP-6 und MP-15 (beide ''Candidatus Cloacamonas sp. ''), sowie MP-9 (Syntrophobacter sulfatireducens) als potentiell Propionat-verwertende Schlüsselspezies identifiziert. Mit S. sulfatireducens wurde eine bekannte syntroph Propionat-verwertende Spezies gefunden. Die Sequenzen von MP-1 waren nahe verwandt mit Pelotomaculum schinkii, ebenfalls eine beschriebene syntroph Propionat-verwertende Spezies. Bei dem nächsten Verwandten der Cluster MP-6 und MP-15 handelte es sich um ''Candidatus Cloacamonas acidaminovorans'', eine bisher unkultivierbare Spezies, dessen Genom für den gesamten Abbauweg der syntrophen Propionat-Oxidation codiert. Syntrophobacter sulfatireducens kam zusammen mit Vertretern der methanogenen Gattungen Methanoculleus, Methanosaeta und Methanomethylovorans vor. Als methanogener Partner von Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp. dominierte die Gattung Methanosarcina. Aufgrund der starken Präsenz der syntroph Acetat oxidierenden Spezies Tepidanaerobacter acetatoxydans (Sequenz-Cluster MP-3), sowie potentiell homoacetogener Arten, wurde zudem ein theoretischer Zusammenhang der Propionat-Verwertung mit der syntrophen Acetat-Oxidation und der autotrophen Homoacetogenese vorgeschlagen.rn

Avoidance of Long Mononucleotide Repeats in Codon Pair Usage

Protein is an essential component for life, and its synthesis is mediated by codons in any organisms on earth. While some codons encode the same amino acid, their usage is often highly biased. There are many factors that can cause the bias, but a potential effect of mononucleotide repeats, which are known to be highly mutable, on codon usage and codon pair preference is largely unknown. In this study we performed a genomic survey on the relationship between mononucleotide repeats and codon pair bias in 53 bacteria, 68 archaea, and 13 eukaryotes. By distinguishing the codon pair bias from the codon usage bias, four general patterns were revealed: strong avoidance of five or six mononucleotide repeats in codon pairs; lower observed/expected (o/e) ratio for codon pairs with C or G repeats (C/G pairs) than that with A or T repeats (A/T pairs); a negative correlation between genomic GC contents and the o/e ratios, particularly for C/G pairs; and avoidance of C/G pairs in highly conserved genes. These results support natural selection against long mononucleotide repeats, which could induce frameshift mutations in coding sequences. The fact that these patterns are found in all kingdoms of life suggests that this is a general phenomenon in living organisms. Thus, long mononucleotide repeats may play an important role in base composition and genetic stability of a gene and gene functions.

Alba-domain proteins of Trypanosoma brucei are cytoplasmic RNA-binding proteins that interact with the translation machinery

Trypanosoma brucei and related pathogens transcribe most genes as polycistronic arrays that are subsequently processed into monocistronic mRNAs. Expression is frequently regulated post-transcriptionally by cis-acting elements in the untranslated regions (UTRs). GPEET and EP procyclins are the major surface proteins of procyclic (insect midgut) forms of T. brucei. Three regulatory elements common to the 3' UTRs of both mRNAs regulate mRNA turnover and translation. The glycerol-responsive element (GRE) is unique to the GPEET 3' UTR and regulates its expression independently from EP. A synthetic RNA encompassing the GRE showed robust sequence-specific interactions with cytoplasmic proteins in electromobility shift assays. This, combined with column chromatography, led to the identification of 3 Alba-domain proteins. RNAi against Alba3 caused a growth phenotype and reduced the levels of Alba1 and Alba2 proteins, indicative of interactions between family members. Tandem-affinity purification and co-immunoprecipitation verified these interactions and also identified Alba4 in sub-stoichiometric amounts. Alba proteins are cytoplasmic and are recruited to starvation granules together with poly(A) RNA. Concomitant depletion of all four Alba proteins by RNAi specifically reduced translation of a reporter transcript flanked by the GPEET 3' UTR. Pulldown of tagged Alba proteins confirmed interactions with poly(A) binding proteins, ribosomal protein P0 and, in the case of Alba3, the cap-binding protein eIF4E4. In addition, Alba2 and Alba3 partially cosediment with polyribosomes in sucrose gradients. Alba-domain proteins seem to have exhibited great functional plasticity in the course of evolution. First identified as DNA-binding proteins in Archaea, then in association with nuclear RNase MRP/P in yeast and mammalian cells, they were recently described as components of a translationally silent complex containing stage-regulated mRNAs in Plasmodium. Our results are also consistent with stage-specific regulation of translation in trypanosomes, but most likely in the context of initiation.

Temporal and Spatial Coexistence of Archaeal and Bacterial amoA Genes and Gene Transcripts in Lake Lucerne

Despite their crucial role in the nitrogen cycle, freshwater ecosystems are relatively rarely studied for active ammonia oxidizers (AO). This study of Lake Lucerne determined the abundance of both amoA genes and gene transcripts of ammonia-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB) over a period of 16 months, shedding more light on the role of both AO in a deep, alpine lake environment. At the surface, at 42 m water depth, and in the water layer immediately above the sediment, AOA generally outnumbered AOB. However, in the surface water during summer stratification, when both AO were low in abundance, AOB were more numerous than AOA. Temporal distribution patterns of AOA and AOB were comparable. Higher abundances of amoA gene transcripts were observed at the onset and end of summer stratification. In summer, archaeal amoA genes and transcripts correlated negatively with temperature and conductivity. Concentrations of ammonium and oxygen did not vary enough to explain the amoA gene and transcript dynamics. The observed herbivorous zooplankton may have caused a hidden flux of mineralized ammonium and a change in abundance of genes and transcripts. At the surface, AO might have been repressed during summer stratification due to nutrient limitation caused by active phytoplankton.

Biological diversity of prokaryotic type IV secretion systems.

Type IV secretion systems (T4SS) translocate DNA and protein substrates across prokaryotic cell envelopes generally by a mechanism requiring direct contact with a target cell. Three types of T4SS have been described: (i) conjugation systems, operationally defined as machines that translocate DNA substrates intercellularly by a contact-dependent process; (ii) effector translocator systems, functioning to deliver proteins or other macromolecules to eukaryotic target cells; and (iii) DNA release/uptake systems, which translocate DNA to or from the extracellular milieu. Studies of a few paradigmatic systems, notably the conjugation systems of plasmids F, R388, RP4, and pKM101 and the Agrobacterium tumefaciens VirB/VirD4 system, have supplied important insights into the structure, function, and mechanism of action of type IV secretion machines. Information on these systems is updated, with emphasis on recent exciting structural advances. An underappreciated feature of T4SS, most notably of the conjugation subfamily, is that they are widely distributed among many species of gram-negative and -positive bacteria, wall-less bacteria, and the Archaea. Conjugation-mediated lateral gene transfer has shaped the genomes of most if not all prokaryotes over evolutionary time and also contributed in the short term to the dissemination of antibiotic resistance and other virulence traits among medically important pathogens. How have these machines adapted to function across envelopes of distantly related microorganisms? A survey of T4SS functioning in phylogenetically diverse species highlights the biological complexity of these translocation systems and identifies common mechanistic themes as well as novel adaptations for specialized purposes relating to the modulation of the donor-target cell interaction.

Biological diversity of prokaryotic type IV secretion systems.

Type IV secretion systems (T4SS) translocate DNA and protein substrates across prokaryotic cell envelopes generally by a mechanism requiring direct contact with a target cell. Three types of T4SS have been described: (i) conjugation systems, operationally defined as machines that translocate DNA substrates intercellularly by a contact-dependent process; (ii) effector translocator systems, functioning to deliver proteins or other macromolecules to eukaryotic target cells; and (iii) DNA release/uptake systems, which translocate DNA to or from the extracellular milieu. Studies of a few paradigmatic systems, notably the conjugation systems of plasmids F, R388, RP4, and pKM101 and the Agrobacterium tumefaciens VirB/VirD4 system, have supplied important insights into the structure, function, and mechanism of action of type IV secretion machines. Information on these systems is updated, with emphasis on recent exciting structural advances. An underappreciated feature of T4SS, most notably of the conjugation subfamily, is that they are widely distributed among many species of gram-negative and -positive bacteria, wall-less bacteria, and the Archaea. Conjugation-mediated lateral gene transfer has shaped the genomes of most if not all prokaryotes over evolutionary time and also contributed in the short term to the dissemination of antibiotic resistance and other virulence traits among medically important pathogens. How have these machines adapted to function across envelopes of distantly related microorganisms? A survey of T4SS functioning in phylogenetically diverse species highlights the biological complexity of these translocation systems and identifies common mechanistic themes as well as novel adaptations for specialized purposes relating to the modulation of the donor-target cell interaction.

tRNA-derived fragments target the small ribosomal subunit to fine-tune translation

Post-transcriptional cleavage of RNA molecules to generate smaller fragments is a widespread mechanism that enlarges the structural and functional complexity of cellular RNomes. In particular, fragments deriving from both precursor and mature tRNAs represent one of the rapidly growing classes of post-transcriptional RNA pieces. Importantly, these tRNA-derived fragments (tRFs) possess distinct expression patterns, abundance, cellular localizations, or biological roles compared with their parental tRNA molecules (1). Here we present evidence that tRFs from the archaeon Haloferax volcanii directly bind to ribosomes. In a previous genomic screen for ribosome-associated small RNAs we have identified a 26 residue long fragment originating from the 5’ part of valine tRNA (Val-tRF) to be by far the most abundant tRF in H. volcanii (2). The Val-tRF is processed in a stress- dependent manner and was found to primarily target the small ribosomal subunit in vitro and in vivo. Translational activity was markedly reduced in the presence of Val-tRF, while control RNA fragments of similar length did not show inhibition of protein biosynthesis. Crosslinking experiments and subsequent primer extension analyses revealed the Val-tRF interaction site to surround the mRNA path in the 30S subunit. In support of this, binding experiments demonstrated that Val-tRF does compete with mRNAs for ribosome binding. Therefore this tRF represents a ribosome-bound non-protein-coding RNA (ncRNA) capable of regulating gene expression in H. volcanii under environmental stress conditions probably by fine-tuning the rate of protein production (1). (1) Gebetsberger J. and Polacek N. (2013), RNA Biol. 10:1798-1808 (2) Gebetsberger J. et. al. (2012), Archaea, Article ID 260909

The eukaryotic way to defend and edit genomes by sRNA-targeted DNA deletion

While there is currently burgeoning interest in the application of the CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated genes) to genome editing, it is perhaps not widely appreciated that this is the second discovery of a small RNA (sRNA)-targeted DNA-deletion system. The first sRNA-targeted DNA-deletion system to be discovered, which we call IES/Ias (internal eliminated sequence/IES-associated genes) to contrast with CRISPR/Cas, is found in ciliates, and, like CRISPR/Cas, is thought to serve as a form of immune defense against invasive DNAs. The manner in which the ciliate IES/Ias system functions is distinct from that of the CRISPR/Cas system in archaea and bacteria, and arose independently through a synthesis of RNA interference-derived and DNA-specific molecular components. Despite the major differences between CRISPR/Cas and IES/Ias, both systems face similar conceptual challenges in targeting invasive DNAs. In this review, we focus on the discovery, effects, function, and evolutionary consequences of the IES/Ias system.

Genomic knock-out of rancRNAs in the archaeon H. volcanii

As translation is the final step in gene expression it is particularly important to understand the processes involved in translation regulation. It was shown in the last years that a class of RNA, the non-protein-coding RNAs (ncRNAs), is involved in regulation of gene expression via various mechanisms [1]. Herein included is the prominent example of gene silencing caused by micro RNAs (miRNAs) and small interfering RNAs (siRNAs). Almost all of these ncRNA discovered so far target the mRNA in order to modulate protein biosynthesis, this is rather unexpected considering the crucial role of the ribosome during gene expression. However, recent data from our laboratory showed that there is a new class of RNAs among the well-studied ncRNAs that target the ribosome itself [2,3]. These so called ribosome-associated ncRNAs (rancRNAs) have an impact on translation regulation, mainly by interfering / modulating the rate of protein biosynthesis. Recent studies show the presence of small regulatory RNAs (sRNAs) in archaea which are involved in many biological processes including stress response and metabolic regulation [4]. To date the biological function and the targets of these archaeal sRNAs are only described for a few examples. There are reports of sRNAs binding to the 5’ as well as to the 3’ of mRNAs [5,6]. In addition to these findings, a tRNA derived fragment (tRF) of Valine tRNA was found in a genomic screen of RNAs associated with the ribosome in H. volcanii in our laboratory [3]. This Valine tRF seems to be processed in a stress-dependent manner and showed in vitro binding to the ribosome and inhibited in vitro translation. These results showed that Valine tRF is capable to regulate translation in H. volcanii by targeting the ribosome. The main goal of this project is to identify and describe novel potential regulatory rancRNAs in H. volcanii with the focus on intergenic candidates. Northern blot analyses already revealed interactions with the ribosome and showed differential expression patterns in response to stress conditions. To investigate the biological relevance of some of the ribosome-associated ncRNA candidates, knock-out and phenotypic characterization studies are done. The genomic knock out of a hypothetical ORF (198nt), where one putative rancRNA candidate (46nt) named IG33 was detected in the library at the beginning of the ORF, showed interesting growth phenotype under specific stress conditions. Furthermore a strain with an introduced start to stop codon mutation in this hypothetical ORF still shows the same phenotype indicating that rather the missing protein than the missing sRNA causes this growth phenotype.