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Light is one of the most important abiotic factors for plant physiological processes. In addition to light intensity, the spectral quality of light can also influence the plant morphology and the content of secondary metabolites. In the horticultural industry, artificial light is used in to enable year-round production of herbs, ornamental plants and vegetables in winter terms.
Until today, discharge lamps like high-pressure sodium (HPS) lamps, emitting predominantly orange and red light and high amounts of infrared radiation, are the most common lamp systems in greenhouses. In the last decades, light-emitting diodes (LEDs) emerged as an efficient alternative light source. LEDs have the advantage of distinct adjustments to the light spectrum. For a usage in horticultural industry LEDs are often too expensive. Furthermore, reduced plant growth can occur due to incorrectly adjusted light spectra and lower leaf temperatures caused by the lack of infrared radiation.
In a research project (LOEWE, funding no. 487/15-29) funded by the Hessen State Ministry of Higher Education, Research and Arts, Microwave plasma lamps (MPL) were tested as new light sources for horticultural industry and plant research. The electrodeless lamp systems emit light in similar properties like sun light. The aim of the study was to determine the influence of artificial sunlight of the MPL on the accumulation of secondary metabolites, plant architecture and plant physiology of three different species (coleus, basil and potted roses). The MPL was compared with other light systems such as commercial HPS lamps, LEDs or ceramic metal halide lamps (CDM). In addition to morphological parameters such as plant height, internode length or fresh and dry weight, the phenolic content of leaves grown under the respective light sources were examined.
Overall an increased far-red light content in the emission spectra of the MPL showed high influence on the plant architecture which was observed in all three plant species. Artificial sunlight from MPL induced stem elongation in coleus and basil plants, compared to the other tested light sources. In potted roses a reduced branching degree was observed under MPL light compared to HPS grown plants.
In addition to the impact of far-red light also the blue light content of the emission spectra was found to be a strong influencing factor for plant physiological processes. A positive correlation between blue light content and leaf thickness was determined in coleus cultivated under MPL, LED, HPS and CDM lamps. Low blue light content in HPS emission spectra resulted in shade-adapted leaves with low photosynthetic capacity and susceptibility to high irradiances. Blue light was assumed to increase phenolic metabolites in basil and rose leaves. Furthermore, the different light treatments resulted in an alteration of the composition of essential oils of basil.
Experiments with coleus plants demonstrated that besides light color also the infrared radiation, had an influence on secondary metabolites by causing different leaf temperatures. Coleus plants grown with MPL showed the lowest content of phenolic compounds such as rosmarinic acid per dry weight. Infrared radiation resulted in a faster plant development indicated by increased biomass production and higher leaf formation rate as observed in coleus and basil plants.
The results obtained in this study show that the influence of leaf temperature should always be considered when comparing different lamp systems. Especially when LEDs are compared to discharge lamps an overestimation of light color can be a consequence since also infrared radiation influences the content of phenolic compounds and plant growth.
The growing number of infections with multi-resistant bacteria or the current COVID-19 pandemic put compounds with therapeutic properties into the public focus. Non-ribosomal peptides (NRPs) are natural products that are already marketed as antibiotics, cytotoxic agents or immunosuppressants. Their biological activities rely on the structural diversity including non-proteinogenic amino acids (AAs), heterocycles or modifications like methylation or acylation.
The biosynthesis of NRPs is carried out by non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs). These multifunctional megaenzymes show a modular architecture like in an assembly-line. Each module is thereby responsible for the incorporation and modification of one AA and therefore contains different catalytic domains. The adenylation (A) domain recognizes and activates its specific substrate in an ATP-dependent manner which is transferred to a 4’-phosphopantetheine cofactor post-translationally attached to the thiolation (T) domain. Peptide bond formation between two T domain bound substrates catalysed by the condensation (C) domain transfers the growing peptide chain to the following module. Such a C-A-T module can be extended with optional domains to integrate structural diversity and a terminal thioesterase (TE) domain usually releases the peptide via hydrolysis or intramolecular attack of nucleophiles. Inspired by the modular architecture, NRPS engineering deals with the modification of NRPs in order to increase biological activities, circumvent bacterial resistances or create de novo peptides. This can be achieved by mutasynthesis or modification of the substrate binding pocket as well as single and multiple domain substitution. However, the few successful approaches led to impaired enzymes and did not establish a general applicable guideline. In the first publication as part of this work, the development of such a guideline comprising three rules is addressed. First, the A-T-C tridomain named exchange unit (XU) is seen as a catalytic unit instead of a module. When using them as building blocks, the C domain’s specificity for the AA of the following XU has to be considered as second rule. Third, a conserved WNATE motif within the C-A linker depicts the fusion point of the XUs. Upon heterologous expression of the cloned plasmids in E. coli and high performance liquid chromatography coupled mass spectrometry-based analysis of the extracts, the ambactin-producing NRPS from Xenorhabdus was reprogrammed with one and two XUs. This only leads to a moderate loss of production titre or an even higher one when the AA configuration was changed by introducing a dual condensation/epimerization (C/E) domain. The pentamodular GameXPeptide-producing NRPS was reconstructed using up to five XUs of four different NRPSs and even completely de novo synthetases were created. The second publication describes the exchange unit condensation domain (XUC) concept and relies on a fusion point between the two subdomains (N-terminal CDsub and C-terminal CAsub) of the C domain’s V-shaped pseudodimeric structure which generates A-T didomains with flanking CAsub and CDsub. These hybrid C domain-forming building blocks depict an improvement to the XU concept by avoiding the drawback of C domain specificity. This allows a more flexible NRPS engineering that can e.g. enable peptide library design. Furthermore, beside a combination of both concepts within one NRPS and a transfer to Bacillus NRPSs, the use of XUC with relaxed A domain specificity allowed further peptide modifications by introducing non-natural AAs. The third publication deals with aldehyde and alcohol-generating reductase (R) domains which depict an alternative for peptide release in NRPSs. A promoter exchange in X. indica identified a pyrazine-producing NRPS with a minimal architecture of an A, T and R domain and was therefore termed ATRed. R domains were additionally used in engineered NRPSs to produce pyrazinones and derivatives thereof by XU substitution although most constructs failed to show production. Beyond that, an R domain has been shown to replace a TE domain in wild type synthetases leading to slightly modified NRPs and the postulated biosynthesis was incidentally revised. Furthermore, an NRPS with terminal R domain was engineered to produce a free peptide aldehyde, which are known to be potent proteasome inhibitors. For the above mentioned ATReds, the presence of up to three coding regions was further identified in 20 different Xenorhabdus strains but only six of them were verified to produce pyrazines. All ATReds share variable sequence similarities among each other and were subsequently divided into three subtypes. One subtype is supposed to perform the pyrazine biosynthesis via a non-canonical catalytic triad.
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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