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Philipp Krubasik

• In der vorliegenden Arbeit wird die Identifizierung von Genen der Carotinoid Biosynthese (crt) aus den Coryneformen Bakterien Brevibacterium linens und Brevibacterium flavum beschrieben. Hierbei konnten sechs neue crt Gene durch funktionelle Komplementierung bestimmt werden. Außerdem wurde erstmalig die Carotinoid Biosynthese von B. flavum, darunter auch drei neue Carotinoide, beschrieben. Voraussetzung für die Klonierung der crt Gene aus B. linens war die Entwicklung eines geeigneten Komplementierungssystems. Dieses System wurde in Carotinoidmutanten von B. flavum entwickelt. So konnte eine B. linens Expressions­Bibliothek nach Passage durch mehrere E. coli­Stämme, unter Umgehung des starken B. flavum­Restriktionssystems, in B. flavum­Carotinoidmutanten auf crt Genexpression hin untersucht werden. . Durch Komplementierung der Carotinoidmutanten von B. flavum konnte das Gen der Phytoen Synthase (crtB) aus B. linens funktionell kloniert werden. Mit diesem Gen als Sonde wurde aus einer B. linens­Cosmid Bibliothek das gesamte crt Gencluster isoliert. Auf dem sequenzierten DNA­Fragment von B. linens befanden sich 14 offene Leseraster mit Ähnlichkeiten zu Sequenzen aus Datenbanken. Durch Sequenzähnlichkeiten zu bekannten Genen konnte die Gene einer GGPP Synthase (crtE), einer Phytoen Synthase (crtB) und einer Phytoen Desaturase (crtI) bestimmt werden. Außerdem wurden erstmalig die Gene einer IPP Isomerase und einer DNA­Photolyase in einem crt Gencluster identifiziert. Durch heterologe Expression in B. flavum konnte das neue Gen einer b­Carotin Desaturase (crtU) funktionell nachgewiesen werden. Dieses Gen kodiert für ein Enzym, das b­Carotin in das aromatische Carotin Isorenieraten umsetzt. Ebenfalls durch heterologe Expression in B. flavum wurden zwei neue Gene (crtYc und crtYd) gefunden, deren Genprodukte gemeinsam die Zyklisierung von Lycopin zu b­Carotin katalysieren. Die errechnete Molmasse dieser beiden Lycopin Zyklasen ist mit 12,5 und 13,9 kDa ungewöhnlich klein. Die zwei Lycopin Zyklasegene aus B. linens kodieren für eine neue Klasse von Lycopin Zyklasen. Es bestehen keine Sequenzähnlichkeiten dieser neuen Gene zu bisher bekannten Lycopin Zyklasegenen oder zu anderen Genen bekannter Funktion. Durch die partielle Deletion einer cDNA mit Lycopin Zyklase­ und Phytoen Synthaseaktivität (crtYB) aus dem Pilz Xanthophyllomyces dendrorhous konnte gezeigt werden, daß die Zentren der beiden Aktivitäten in unterschiedlichen Regionen des gebildeten Polypeptids sitzen. Die Phytoen Synthaseaktivität des Genproduktes geht auf einen Bereich des Polypeptids zurück, der Sequenzähnlichkeiten zu Phytoen Synthasen anderer Organismen aufweist. Das Zentrum der Lycopin Zyklaseaktivität liegt in dem N­terminalen Bereich des Polypeptids, der interessanterweise Sequenzähnlichkeiten zu den beiden Lycopin Zyklasen aus B. linens aufweist. Dieses Fusionsgen crtYB ist das erste bekannte Gen einer pilzlichen Lycopin Zyklase. Die Entwicklung der pilzlichen crtYB Fusionsgene aus crtB und Lycopin Zyklasegenen des in B. linens gefundenen Typs wird diskutiert. Die Hauptcarotinoide von B. flavum wurden als die C 50 Carotinoide Decaprenoxanthin, Decaprenoxanthin Monoglucosid und Decaprenoxanthin Diglucosid bestimmt. Bei der Analyse von B. flavum­Pigmentmutanten wurden außerdem die neuen Carotinoide Nonapren [2­(3­Methyl­2­butenyl)­e, y­carotin], Flavuxanthin [2,2'­Bis(4­hydroxy­3­ methyl­2­butenyl)­y, y­carotin] und Nonaflavuxanthin [2­(4­Hydroxy­3­methyl­2­ butenyl)­y, y­carotin] als Intermediate identifiziert. Basierend auf den nachgewiesenen Carotinoiden konnte der vermutliche C 50 Carotinoid Biosyntheseweg für B. flavum vorgeschlagen werden. Durch Sequenzanalyse von B. flavum­Transposonmutanten konnten erstmalig crt Gene der C 50 Carotinoid Biosynthese isoliert werden. Auf dem crt Gencluster von B. flavum konnten die Gene crtE, crtB und crtI aufgrund von Sequenzähnlichkeiten zu bekannten Genen bestimmt werden. Heterologe Expression in E. coli und Geninaktivierung durch homologe Rekombination in B. flavum zeigten, daß die Produkte von drei weiteren Genen ausreichen, um die C 50 Carotinoide von B. flavum zu bilden. Das Produkt eines neuen Lycopin Elongasegens (crtEb) verlängert Lycopin an Position C­2 und C­2' um jeweils eine C 5 Isopreneinheit und bildet ein azyklisches C 50 Carotinoid. Dieses wird von den Produkten der neuen C 50 Zyklasegene crtYe und crtYf zu einem zyklischen C 50 Carotinoid umgesetzt. Die Ergebnisse zeigen, daß entgegen früherer Vorstellungen, die Addition einer Isopreneinheit und die Zyklisierung bei der Bildung von zyklischen C 50 Carotinoiden zwei getrennte Schritte sind.