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Carotinoide sind Pigmente, die in Pflanzen, Algen, einigen Pilzen und Bakterien vorkommen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Photosynthese durch Absorption von Licht und beim Lichtschutz. Sie sind verantwortlich für die braunen, roten, orangen und gelben Farben von Obst, Gemüse, Herbstblättern und die Farbe einiger Blumen und Algen. Tiere können keine Carotinoide synthetisieren, daher ist ihre Anwesenheit auf die Nahrungsaufnahme zurückzuführen. Carotinoide sind Tetraterpenoide (40C), die aus Isoprenoidmolekülen (5C) synthetisiert werden. Der Methylerythritol-phosphatweg ist der Carotinoid-Vorläuferweg, der die Isoprenoideinheiten bildet. Carotinoide haben aufgrund ihrer gesundheitlichen Vorteile das Interesse der Nutrazeutika-Industrie geweckt.
Fucoxanthin ist ein Carotinoid, das nur in Kieselalgen, Braunalgen, Haptophyten und einigen Dinoflagellaten vorkommt. Aufgrund seiner Vorteile zur Vorbeugung von Krebs, kognitiven Erkrankungen und Fettleibigkeit sowie seiner antioxidativen Eigenschaften ist Fucoxanthin ein sehr interessantes Molekül fur die Nutrazeutikabranche.
Fucoxanthin hat eine komplexe chemische Struktur mit einer Allenbindung und einer Epoxyketogruppe. Daher wäre seine chemische Synthese kompliziert, da es auch eine stereokontrollierte Synthese erfordert86. Aus diesem Grund ist die Extraktion aus Makroalgen oder Mikroalgen die Methode der Wahl für die kommerzielle Herstellung von Fucoxanthin.
In dieser Arbeit bestand das Ziel darin, die Fucoxanthin-Produktivität in Kieselalgen mit gentechnischen Methoden zu steigern, damit die Zellen mehr Fucoxanthin produzieren. Zu diesem Zweck wurde der Effekt der Insertion zusätzlicher Kopien von Genen in das Genom untersucht, die für geschwindigkeitsbestimmende oder Schlüsselenzyme im Carotinoid- und MEP-Weg kodieren.
Zu Beginn wurden diese Effekte bei einzelnen Mutanten beobachtet. Letztendlich ist es jedoch das Ziel, eine Mutante zu erzeugen, die mehrere geschwindigkeitsbestimmende Enzyme überexprimiert, um auf diese Weise Engpässe zu vermeiden. In früheren Studien erreichten Eilers et al.54 durch die einmalige Überexpression der psy- und dxs-Gene in der Kieselalge P. tricornutum einen 2.4- und 1.8-fachen Anstieg der Fucoxanthin-Spiegel.
In dieser Arbeit führte die Insertion zusätzlicher Kopien der Gene idi und pds2 nicht dazu, dass die Zellen mehr Fucoxanthin produzieren. Im Gegensatz dazu erreichten die Mutanten mit zusätzlichen Kopien der Gen ggpps und mit zusätzlichen Kopien sowohl von psy als auch von dxs seine um 28% bzw. 10% höhere Fucoxanthin-Produktivität pro Million Zellen. Bei diesen Mutanten ist die Gesamtproduktivität jedoch geringer als beim Wildtyp, da ihr Wachstum langsamer als beim Wildtyp ist.
Unter Berücksichtigung der besten Zielgene wurden Mutanten erzeugt, die gleichzeitig zusätzliche Kopien von psy, dxs und ggpps enthielten. Die Mutanten hatten unter sehr niedriegen Lichtbedingungen eine um bis zu 61% höhere Produktivität pro Million Zellen als der Wildtyp. Ausnahmsweise wurden diese Mutanten bei sehr schwachem Licht (10 µE m-2 s-1) gezüchtet, da sie sehr gestresst waren und als Zellklumpen wuchsen. Obwohl die Gesamt-Fucoxanthin-Spiegel in diesen Mutanten unter diesen Bedingungen höher sind als im Wildtyp, sind sie daher niedriger als die Fucoxanthin-Spiegel bei den in anderen Experimenten verwendeten Lichtbedingungen (50 µE m-2 s-1). Als Ergebnis dieser Experimente kann gesagt werden, dass die Belastung der Zellen nach den genetischen Veränderungen untersucht werden muss, da dies zu einer Abnahme der Biomasse und folglich zu einer Abnahme der Fucoxanthinproduktion führt. Alternativ könnte auch eine 2-Stufen-Kultur etabliert werden, in der in einem ersten Schritt eine hohe Biomasse erreicht wird und im zweiten Schritt die Expression der interessierenden Gene induziert wird.
Aufgrund der antioxidativen Eigenschaften von Carotinoiden besteht eine übliche Strategie zur Akkumulation von Carotinoiden darin, die Zellen unter oxidative Stressbedingungen zu setzen. Diese Strategie ist jedoch nicht wirksam für die Anreicherung von Fucoxanthin unter hohen Salzkonzentrationen oder hohen Lichtbedingungen. Bessere Versuchspläne könnten jedoch eine 2-Stufen-Kultur oder adaptive Laborbedingungen gewesen sein.
Eine andere mögliche Strategie zur Erhöhung des Fucoxanthinspiegels wäre die Durchführung einer zufälligen Mutagenese der Zellen. Auf diese Weise sind keine Vorkenntnisse über den Carotinoidsyntheseweg und seine Regulation erforderlich und es kann zu Veränderungen in Genen führen, die keine offensichtlichen Ziele sind.
Experimente mit zufälliger Mutagenese erfordern ein Hochdurchsatz-Screeningsystem, da Hunderte oder sogar Tausende von Mutanten erhalten werden. Eine mögliche Strategie, um die Kultivierung der hohen Anzahl von Mutanten zu vereinfachen, ist die Einkapselung dieser Mutanten in Alginatkügelchen. Auf diese Weise können alle Mutanten in demselben Gefäß kultiviert werden. Die eingekapselten Zellen können dann beispielsweise mit einem Durchflusszytometer auf große Partikel durch Fluoreszenz- oder Absorptionsmessungen gescreent werden.
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Protein translocation across the chloroplast membrane is mediated by molecular machinery composed of protein complexes termed the TOC/TIC (the outer/inner envelope chloroplasts translocases). This translocation process is regulated by metabolic energy in form of GTP and ATP and is influenced by the lipid composition of the membrane. The ability to study the function of a single complex “TOC” in vitro using purified protein or purified chloroplast outer envelope vesicles has been instrumental for our understanding of the mechanism underlying this process.
Indeed, the TOC complex has been purified by previously established procedures. However its functional and structural analyses are impaired by the limited yield of purified protein. Therefore, protocols for native TOC complex purification are described here. The complex isolation is achieved by direct biochemical treatment of biological membrane hosting this complex or by tandem affinity purification of modified protein complex components from generated transgenic plants.
Furthermore, in this thesis, radioactive based in vitro import assays are described, namely those that allow monitoring translocation activity across the outer envelope of chloroplast. Based on the analysis of knock-out plants and isolated complexes it was previously suggested that lipid dependence of protein translocation might exist. Thus, the question was raised whether the lipid composition of the membrane has a direct influence on the behavior and functionality of the TOC translocon, or whether additional components of the chloroplast membrane account for the observed effect in vivo. To answer this question, a technique for vesicle fusion was developed. The principal aim was to explore the effect of an exchange of the lipid environment surrounding the complex translocon. This method helped to demonstrate that the SQDG and PI act stimulatory on the translocation across the outer envelope of chloroplast, whereas DGDG exhibits an inhibitory effect on TOC complex functionality.
Cyanobacteria belong to the most widely distributed microorganisms in the biosphere and contribute significantly to global primary production. Their metabolism is based on oxygenic photosynthesis and some cyanobacteria can fix elemental nitrogen. Obligate photosynthetic diazotrophs have a particularly high iron demand in comparison to heterotrophic bacteria. Nevertheless the understanding of iron acquisition in cyanobacteria is just beginning to emerge. Iron acquisition in bacteria comprises highly specific transport of siderophore-iron complexes over the outer membrane by TonB-dependent transporter (TBDT). The transport itself is active and energized by a multi-complex localized to the inner membrane termed the TonB-system (TonB-ExbB-ExbD). The siderophore-iron complexes are further transported into the cytosol by a binding protein dependent ABC-transporter. Cyanobacterial iron acquisition response has most extensively been studied in unicellular, non-siderophore synthesizing cyanobacteria in the genus Synechococcus and Synechocystis. Anabaena sp. PCC 7120, however, is a different model organism as it is a freshwater living, siderophore synthesizing and, truly multicellular microorganism. It can be assumed that siderophore synthesis and siderophore-dependent iron uptake are tightly coordinated processes, therefore Anabaena represents a different model organism as compared to non-siderophore producing cyanobacteria. Moreover the surprisingly abundant protein family of 22 putative TBDTs in Anabaena indicates a high complexity of TonB-dependent uptake systems. Sequence similarity analysis revealed 4 putative tonB encoding genes (alr0248, all3585, all5036, alr5329), 2 putative exbB-exbD encoding gene cluster (alr0643-alr0644, all5047-all5046), one single standing putative exbB encoding gene (alr4587) and several hypothetical binding-protein-dependent ATP binding cassette (ABC)-type transporter encoding genes (fhu-, fec- and fut-type transporter).
In this study the respond of the predeicted systems to iron-limiting conditions was analysed by qRT-PCR. The expression analysis revealed on the one hand an enhanced transcription of all5036 (tonB3), all5047-all5046 (exbB3-exbD3) and the fhu-like encoding genes (all0387-all0389) under iron-limitation and at the same time down-regulation of expression under enhanced iron concentrations. Summerizing the transcription profile of the tonB3- and the fhu-system showed an expression regulated by iron-availability. To further characterize the role of TonB3-, ExbB3- and the Fhu-system, mutants thereof were generated. None of the generated mutants, except for the exbB3 mutant, could be fully segregated, suggesting an essential character of the genes. Characterization of the mutants revealed enhanced expression of iron-starvatrion indicator genes (isiA, fhuA) and altered growth of the tonB3 mutant under iron-limiting conditions. The iron starvation phenotype was further strengthened by enhanced siderophore secretion in the tonB3, exbB3 and fhuC mutants. Taken as a whole the results strongly indicate involvement of the tonB3- and the fhu-system in siderophore-dependnet iron uptake in Anabaena.
Investigation of the tonB2 (all3585) mutant under iron and citric acid limitation resultated in altered growth of the mutant. However, growth could be restored by addition of iron chlorid. Therefore a connection of the TonB2 protein to iron uptake is implied and further supported by ressitance to toxic iron concentrations. Lastly, mutation of tonB1 (alr0248) reuslted in insensibility to toxic manganese and copper concentrations and macrolid antibiotics. The altered permeability of the outer membrane may be a result of decreased expression of seven putative porin encoding genes in the mutant. A possible role in transcriptional regulation of porin expression is discussed.