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Stephan H. Saum

• 1. Halobacillus halophilus akkumuliert zum Ausgleich geringer, extrazellulärer Wasserpotentiale kompatible Solute. Bei Anzuchten in Gegenwart von 0,4 – 1,5 M NaCl wurden Glutamin und Glutamat als die dominierenden kompatiblen Solute identifiziert, während zwischen 2,0 und 3,0 M NaCl Prolin das dominierende Solut darstellt. Außerdem wurde Ectoin als zweites kompatibles Solut gefunden, das spezifisch bei hohen Salzgehalten akumuliert wird. Die Konzentrationen während der exponentiellen Wachstumsphase war jedoch um den Faktor 6 – 7 geringer im Vergleich zu Prolin. 2. Aus Wachstumsexperimenten in Gegenwart unterschiedlicher Anionen war bekannt, dass Glutamat, im Gegensatz zu Gluconat und Nitrat, in der Lage ist, das Wachstum von H. halophilus auch in Abwesenheit von Chlorid zu ermöglichen. Um der Frage nachzugehen, ob die wachstumsfördernde Wirkung von unphysiologisch hohen Glutamat-Konzentrationen im Medium auf die Verwendung von Glutamat als kompatiblem Solut in den Zellen zurückzuführen ist, wurden Gesamtsolutepools von Chlorid-, Nitrat-, Gluconat- und Glutamat-gezogenen Zellen gemessen. In NaCl-gezogenen Zellen zeigte sich Glutamat als dominantes Solut, während Prolin und Glutamin einen geringeren Teil am Gesamtpool ausmachten. In Nitrat-gezogenen Zellen betrug der Gesamtpool nur noch 83% und in Gluconat-gezogenen Zellen nur noch 27% im Vergleich zu Chlorid-gezogenen Zellen. Zellen, die mit Glutamat gezogen wurden, zeigten jedoch eine Gesamtkonzentration an Soluten, die ca. 100% über dem Vergleichswert aus Chlorid-gezogenen Zellen lag. Die Konzentration an Glutamin in den Zellen stieg dabei um 168%, die Konzentration an Glutamat sogar um 299%. Die Prolinkonzentration verringerte sich um 32%. Diese Daten belegen, dass der wachstumsstimulierende Effekt von Glutamat auf die Verwendung als kompatibles Solut zurückzuführen ist. 3. Zur Untersuchung der molekularen Grundlage der Salzadaptation sowie der Abhängigkeit von Chlorid in H. halophilus wurde in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. D. Oesterhelt (MPI für Biochemie, Martinsried) die Sequenzierung des Genoms begonnen. Das Projekt ist zur Zeit noch nicht abgeschlossen und befindet sich in der „Lückenschluß-Phase“. Die bisherigen Sequenzdaten konnten dennoch für die in dieser Arbeit beschriebenen Untersuchungen herangezogen werden. Das Genom besitzt eine Größe von ca. 4,1 Mbp mit einem ungefähren GC-Gehalt von 40%. Außerdem wurden 2 Plasmide identifiziert mit einer Größe von 16047 und 3329 bp. 4. Die Schlüsselgene bekannter Biosynthesewege für Glutamin und Glutamat konnten identifiziert werden. Darunter befinden sich zwei Isogene für eine Glutamatdehydrogenase (gdh1 und gdh2), ein Gen für die große Untereinheit einer Glutamatsynthase (gltA), zwei Gene für die kleine Untereinheit einer Glutamat-Synthase (gltB1 und gltB2) und zwei Isogene für eine Glutaminsynthetase (glnA1 und glnA2). glnA1 befindet sich in einem Cluster zusammen mit einem Gen, das für einen Regulator kodiert (glnR), wie er auch aus B. subtilis bekannt ist. Über reverse Transkription von mRNA und anschließender PCR-Analyse konnte gezeigt werden, dass sowohl gltA/gltB1 als auch glnA1/glnR in einem Operon organisiert sind. 5. Wurde die Transkriptmenge der in Punkt 4 erwähnten Biosynthesegene in Zellen quantifiziert, die in Gegenwart unterschiedlicher Salzkonzentrationen (0,4 – 3,0 M NaCl) gezogen wurden, so zeigte sich keine Abhängigkeit von der Salzkonzentration für die Gene gltA, glnA1 und gdh1. Über die Transkriptmengen von gdh2 ließ sich keine abschließende Aussage treffen, da die gefundenen Transkriptmengen sehr gering waren und daher zu sehr großen Varianzen bei der Quantifizierung führten. Eine klare Abhängigkeit der Transkriptmenge von der im Medium zugesetzten Salzkonzentration konnte für glnA2 gezeigt werden. Die glnA2 mRNA-Menge stieg dabei mit steigender Salzkonzentration an und erreichte bei 1,5 – 2.0 M NaCl ein Maximum. Bei diesen Salzkonzentrationen war die Menge an mRNA ca. 4 mal höher als der Vergleichswert bei 0,4 M NaCl. Bei höhern Salzkonzentrationen sank die Menge an Transkript wieder leicht und war dann ca. nur noch 3 mal so hoch wie bei 0,4 M NaCl. 6. Die zelluläre Konzentration der glnA2-Transkripte in Abhängigkeit unterschiedlicher Anionen im Anzuchtmedium wurde untersucht. Die Quantifizierung der glnA2–mRNA ergab eine 2 mal höhere Transkriptmenge in Gegenwart von Chlorid verglichen mit Nitrat oder Gluconat. 7. Es wurde nach Enzymaktivitäten der bekannten Schlüsselenzyme im Glutamat und Glutamin-Biosyntheseweg gesucht. Eine Glutamatdehydrogenase und eine Glutamatsynthase – Aktivität konnte nicht oder nur in vernachlässigbarem Maße nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu konnt eine Glutaminsynthetase – Aktivität eindeutig belegt werden. Diese Aktivität erwies sich abhängig von der Art und der Konzentration des angebotenen Anions im Medium. Maximale Aktivitäten wurden mit NaCl in einer Konzentration von 2,5 – 3,0 M erreicht. Interessanterweise erwies sich die Glutaminsynthetase – Aktivität auch abhängig von der Art des im Testpuffers verwendeten Anions. Hier zeigte sich eine deutliche Stimulierung der Aktivität durch das Anion Chlorid. [Die für diesen Punkt zugrunde liegenden Daten wurden im Rahmen einer von mir mitbetreuten Diplomarbeit von Jasmin F. Sydow erhoben und sind aus Gründen der vollständigen Darstellung des Projektverlaufes mitaufgeführt!] 8. Wie im Punkt 1 dargelegt, wird Prolin vor allem bei hohen Salzkonzentrationen in H. halophilus - Zellen akkumuliert. Neben der Abhängigkeit von der Salzkonzentration wurde außerdem die Abhängigkeit von der Wachstumsphase untersucht. Die Analyse der Prolinkonzentrationen während verschiedener Wachstumsphasen in Kulturen, die bei 1,0 bzw. 2,5 M NaCl angezogen wurden, zeigte, (i) dass die Prolinkonzentration während der frühen exponentiellen Phase ca. 2,5-fach erhöht war im Vergleich zu Niedrigsalz-Zellen, (ii) dass die Prolinkonzentration beim Übergang von der frühen in die späte exponentielle Phase dramatisch abnahm (um 64% bei 2,5 M NaCl) und dass (iii) in der stationären Phase Prolin praktisch nicht mehr nachzuweisen war. 9. Die Biosynthesegene für die Herstellung von Prolin aus Glutamat konnten im Genom von H. halophilus identifiziert werden. Es handelt sich dabei um ein Cluster von 3 Genen, die für eine putative Pyrrolin-5-carboxylatreductase (proH), eine Glutamat-5-kinase (proJ), und eine Glutamat-5-semialdehyd-dehydrogenase (proA) kodieren. Mittels reverser Transkription von mRNA und anschließenden PCR-Analysen konnte gezeigt werden, dass die drei Gene ein Operon bilden. 10. Eine Quantifizierung der Transkriptmengen der Biosynthesegene proH, proJ und proA mittels quantitativer PCR in Zellen, die bei unterschiedlichen NaCl-Konzentrationen gezogen wurden, zeigte einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Salinität des Mediums und der Menge an Transkript. Diese war umso höher, je höher die Salinität des Mediums war. Die maximale Transkriptmenge (6-fach) wurde bei einer Salzkonzentration von 2,5 M NaCl erreicht. Bei noch höherer Salzkonzentration sank die Transkriptmenge auf die ca. 5-fache Menge des Kontrollwertes ab. 11. Um die Regulation und Dynamik der Osmoregulation unabhängig vom Wachstum untersuchen zu können, wurde ein Zellsuspensions-System für H. halophilus etabliert, bei dem eine konzentrierte Zellsuspension direkt von geringen auf hohe Salzkonzentrationen überführt wurde und bei dem die Prozesse der Transkription, Translation und Solut-Biosynthese erhalten blieben. Beispielhaft wurde dieses System an der Produktion von Prolin nach einem Salzschock von 0,8 auf 2,0 M NaCl getestet. Es zeigte sich bei der Analyse, dass sich die Transkriptmengen unmittelbar nach dem Salzschock deutlich erhöhten und bereits nach 1,5 Stunden ein Maximum erreicht wurde. Verglichen mit dem Wert zu Beginn des Versuches waren die Transkriptmengen ca. 13-fach erhöht, sanken im weiteren Verlauf jedoch wieder ab und blieben bei einer 4-fachen Transkriptmenge konstant. Mit der Erhöhung der Transkriptmenge ging auch eine Erhöhung der Prolinkonzentration einher, die ein Maximum von ca. 6 μmol/mg Protein nach 6 Stunden erreichte. Auch diese Konzentration verringerte sich im weiteren Verlauf wieder und erreichte nach 20 Stunden den Ausgangswert. 12. Um den Einfluß diverser Anionen bzw. Osmolyte im Medium auf die Produktion von Prolin zu untersuchen, wurden Zellsuspensionen von H. halophilus einer Erhöhung der Osmolarität von 0,8 M auf 2,0 M unterzogen. Es zeigte sich dabei, dass die maximale Akkumulation von Prolin in Anwesenheit von Chlorid am höchsten war. Nitrat und Glutamat führten zu ähnlichen, aber leicht geringeren maximalen Konzentrationen (92 bzw. 83% des Chloridwertes). Gluconat führte noch zu einer Akkumulation von ca. 51%, während die anderen Osmolyte zu keiner Akkumulation führten. Eine Analyse der Transkriptmengen zeigte jedoch ein völlig anderes Bild. Während Chlorid, Nitrat und Gluconat zu vergleichbaren Anstiegen der Transkripmengen führten, war die maximale Transkriptmenge der Glutamatinkubierten Zellen 3-9 mal höher als in Vergleichszellen mit Chlorid. In anschließenden Titrationsexperimenten mit verschiedenen Glutamatkonzentrationen konnte gezeigt werden, dass eine minimale Konzentration von 0,2 M Glutamat ausreichend ist, um eine 90-fache Steigerung der Transkriptmenge herbeizuführen. 13. Als Antwort auf Hochsalz-Bedingungen akkumuliert H. halophilus neben Prolin auch Ectoin. Die Ectoinkonzentration bei 2,5 M NaCl war ca. 2-3 mal höher als in Zellen, die bei 1,0 M gezogen wurden. Die Bestimmung der intrazellulären Ectoin-Konzentrationen während des Wachstums zeigte außerdem, dass die Produktion von Ectoin wachstumsphasenabhängig ist. Die Konzentration in der stationären Phase war ca. 5-fach höher als in der exponentiellen Phase. Die Entwicklung der Ectoin- Konzentration verhielt sich somit reziprok zur Entwicklung der Prolin-Konzentration während des Wachstums. 14. Es wurde ein Cluster von drei Genen im Genom von H. halophilus identifiziert, deren Genprodukte die Biosynthese von Ectoin aus Aspartatsemialdehyd katalysieren. ectA kodiert dabei für eine putative Diaminobutyrat-Acetyltransferase, ectB für eine putative Diaminobutyrat-2-oxoglutarat-Transaminase und ectC für eine putative Ectoin-Synthase. Mittels reverser Transkription von mRNA und anschließenden PCR-Analysen konnte gezeigt werden, dass die drei Gene ein Operon bilden. 15. Die Transkription der ect-Gene war abhängig von der Salinität des Mediums. Ab 2,0 M stieg die Menge an RNA um das 10-fache an und erreichte bei 3,0 M ein Maximum mit der 23,5-fachen Menge. 16. Nach einem osmotischen Schock stieg die Konzentration an ect-mRNA signifikant und erreichte ein Maximum nach 3 - 4 Stunden. Das Maximum wurde somit 1,5 – 2,5 Stunden später erreicht als bei anderen Genen der Solute-Biosynthese wie etwa gdh1, das für eine Glutamatdehydrogenase, glnA2, das für eine Glutamin-Synthetase oder proH, das für eine Pyrrolin-5-Carboxylase kodiert. Die maximal erreichten Wert lagen 13-fach (ectA), 6,5-fach (ectB) und 3-fach (ectC) über dem Wert vor dem Salzschock. Gegen EctC wurden polyklonale Antikörper generiert. Western-Blot Analysen mit diesem Antikörper zeigten, dass die EctC-Menge nach 4 Stunden um das 2,5-fache stieg, dann aber wieder abfiel auf das 1,6 – 1,7-fache des Ausgangswertes. Der Rückgang an EctC fand keine Entsprechung in der gemessenen Ectoin-Konzentration, welche über einen Zeitraum von 18 Stunden kontinuierlich anstieg. Die maximale Konzentration nach 18 Stunden betrug das ca. 6,3-fache des Ausgangswertes. 17. Wurden H. halophilus Zellen mit anderen Osmolyten außer NaCl geschockt, so ergab sich folgendes Bild der Regulation der Ectoin-Biosynthese: (i) die Transkription der ect-Gene zeigte keine Chlorid-abhängige Regulation. Die maximale Transkriptmenge wurde in Gegenwart von Nitrat erreicht, wohingegen Gluconat zu vergleichbachen mRNA-Mengen führte wie Chlorid. Glutamat führte nur zu schwacher Stimulierung der Transkription. (ii) auf Ebene der Proteinmenge war zu sehen, dass die Menge an EctC nach osmotischem Schock vergleichbar war in Zellen, die mit Chlorid oder Nitrat inkubiert wurden. Gluconat führte nur zu einer 40%-igen Zunahme während andere Osmolyte nahezu wirkungslos auf die Menge an EctC blieben. (iii) die höchste Akkumulation an Ectoin nach einer plötzlichen Erhöhung der Osmolarität wurde erreicht mit Chlorid (6-fache Zunahme) gefolgt von Nitrat (5,6-fache Zunahme). Gluconat führte lediglich zu einer 3,3-fachen und Glutamat nur noch zu einer 2-fachen Steigerung der Ectoinkonzentration. Glutamat hat somit ähnliche Effekte wie Tartrat, Saccharose oder Sulfat. Succinat führte zu keiner Akkumulation und Glycin sogar zu einer deutlichen Abnahme. Die Produktion von Ectoin ist somit hauptsächlich abhängig vom Anion/Osmolyt und nur untergeordnet von der Osmolarität.