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Innerhalb der letzten Jahre ist weltweit eine progrediente Zunahme der Zahl am Typ II-Diabetes erkrankter Personen beobachtet worden, die sich nicht mehr nur in hochentwickelten Industriestaaten, sondern zunehmend auch in Entwicklungsländern zu manifestieren scheint. Dabei geht das größte Gesundheitsrisiko eines Typ II-Diabetes von einer Amputation der unteren Extremitäten aus, die oft die finale therapeutische Maßnahme in der Behandlung eines diabetischen Fußulkus darstellt. Ein gemeinsames Charakteristikum diabetischer Ulzerationen und anderer chronischer kutaner Wundheilungsstörungen ist neben einer allgemein schlechten Heilungsprognose eine fehlregulierte Entzündungsreaktion. In der vorliegenden Arbeit ist daher die Rolle von SOCS3 als potentem Bestandteil entzündungsdämpfender Regelkreise während der kutanen Wundheilung zunächst in stoffwechselgesunden und diabetischen Mäusen untersucht worden, um später ein SOCS3-überexprimierendes transgenes Mausmodell als Basis weiterführender Untersuchungen zu etablieren und in die Arbeit zu integrieren. Dabei konnte gezeigt werden, dass SOCS3 in stoffwechselgesunden Mäusen während der entzündlichen Akutphase der Heilung deutlich, aber zeitlich begrenzt hochreguliert ist und somit offensichtlich eine wichtige Funktion in der intrazellulären Regulation proinflammatorischer Signalkaskaden übernimmt. Im Gegensatz dazu zeigten heilungsdefiziente Wunden diabetischer ob/ob-Mäuse eine deutlich verlängerte Expression dieses Proteins, wobei sich herausstellte, dass sich diese vorwiegend auf Keratinozyten der unterentwickelten Epithelränder und der atrophischen Neoepidermis beschränkte. Aus dieser Entdeckung heraus entstand die zentrale Fragestellung dieser Arbeit, die darauf abzielte zu klären, ob eine fehlregulierte SOCS3-Expression in Keratinozyten des Wundrandes als zentrale Komponente in der Kausalkette diabetisch-chronischer Wundheilungsstörungen aufgefasst werden kann. Tatsächlich konnte anhand des transgenen Mausmodells in vivo und in vitro nachgewiesen werden, dass eine erhöhte intrazelluläre Verfügbarkeit von SOCS3 in Keratinozyten negativ mit deren Potenzial zur Proliferation und Migration interferiert. Das Protein SOCS3 besetzt somit im Prozess der kutanen Wundheilung eine inhibitorische Schlüsselposition in der Regulation essentieller Kernkompetenzen von Wundrandkeratinozyten, und dies als eigenständiges Element isoliert von Komplikationen, die sich sekundär aus einem diabetischen Phänotyp ergeben. In der Konsequenz zeigten stoffwechselgesunde transgene Mäuse deutliche Defizite in der Reepithelialisierung des Wundareals, die in vergleichbarer Form aus Wunden diabetischer ob/ob-Mäuse bekannt sind. Darüber hinaus konnte in SOCS3-überexprimierenden Mäusen eine für chronische Wunden typische, gesteigerte Entzündungsantwort im Wundgewebe detektiert werden, die sich durch eine verlängerte und erhöhte Präsenz neutrophiler Granulozyten und Makrophagen sowie eine verstärkte Expression proinflammatorischer Zytokine und Entzündungsmarker auszeichnete. Obwohl immunhistochemische Färbungen und Messungen proentzündlicher Mediatoren im Wundgewebe auf eine kritische Rolle SOCS3-überexprimierender Keratinozyten in der Bereitstellung proentzündlicher Mediatoren hindeuteten, konnten in vitro-Untersuchungen keinen proinflammatorisch veränderten Phänotyp transgener Keratinozyten bestätigen. Dies impliziert, dass die unkontrollierte Entzündungsantwort im transgenen Mausmodell sehr wahrscheinlich sekundär aus der retardierten Reepithelialisierung hervorging. Demnach ist denkbar, dass die SOCS3-bedingte retardierte Epithelregenerierung auch während der diabetisch-gestörten Wundheilung in der ob/ob-Maus eine bislang unterschätzte, zentrale Position in der Ätiologie der Heilungsstörung einnimmt. Die interessanteste Beobachtung ergab sich nach systemischer Neutralisierung des antiinflammatorischen Wachstumsfaktors TGF-β, nachdem eine drastische, offenbar gegenregulatorische Steigerung der TGF-β1-Expression im Wundgewebe heilungsdefizienter, transgener Mäuse detektiert wurde. Überraschender Weise führte die Neutralisierung von TGF-β in der transgenen Maus trotz der nach wie vor massiven Entzündung zu einer deutlich verbesserten Heilungssituation, die in diesem Fall nicht - wie aus der Literatur bekannt - auf eine Verbesserung der Wundreepithelialisierung, sondern eher auf eine erhöhte Kontraktilität der Wunden zurückzuführen war. Einerseits verweist dies erneut auf den potenten proliferationshemmenden Einfluss der hohen SOCS3-Spiegel. Andererseits rückt damit die Entzündungsreaktion in den Bereich eines Epiphänomens ab, da gezeigt werden konnte, dass eine erhöhte Wundinflammation offensichtlich nicht zwingend ein Charakteristikum darstellt, das per definitionem negativ mit dem Heilungsfortschritt interferieren muss.
Pflanzliche Biomasse bietet sich hervorragend als billiges und in großen Mengen verfügbares Ausgangssubstrat für biotechnologische Fermentationsprozesse an. Für die Herstellung von Bioethanol ist die Hefe Saccharomyces cerevisiae der wichtigste Produktionsorganismus. Allerdings kann S. cerevisiae die in Biomasse in großer Menge enthaltenen Pentosen Xylose und Arabinose nicht verwerten. Für einen ökonomisch effizienten Fermentationsprozess ist es daher essentiell, das Substratspektrum der Hefe entsprechend zu erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, den bereits in Hefe etablierten bakteriellen Arabinose-Stoffwechselweg signifikant zu verbessern. Genetische und physiologische Analysen ergaben, dass eines der heterolog produzierten Enzyme, die L-Arabinose-Isomerase aus Bacillus subtilis, einen limitierenden Schritt innerhalb des Stoffwechselweges darstellte. In einem genetischen Screening konnte ein aktiveres Isoenzym aus Bacillus licheniformis gefunden werden. Zusätzlich wurde der Codon-Gebrauch aller heterologen bakteriellen Gene dem Codon-Gebrauch der hoch-exprimierten glykolytischen Gene von S. cerevisiae angepasst. Mit diesem rationalen Ansatz konnte die Ethanolproduktivität aus Arabinose um mehr als 250% erhöht werden, der Ethanolertrag wurde um über 60% gesteigert. Dies stellte die erste erfolgreiche Verbesserung eines heterologen Stoffwechselwegs in S. cerevisiae über Codon-optimierte Gene dar. In einem breit angelegten Screening wurde zum ersten Mal eine prokaryontische Xylose-Isomerase gefunden, die in S. cerevisiae eine hohe Aktivität aufweist. Durch das Einbringen des xylA-Gens aus Clostridium phytofermentans in verschiedene Hefe-Stämme wurden diese in die Lage versetzt, Xylose als alleinige Kohlenstoffquelle zu nutzen. Zusätzlich konnte damit die Vergärung von Arabinose und Xylose in einem einzigen S. cerevisiae-Stamm kombiniert werden. Vorherige Versuche, einen Pentose-vergärenden Stamm zu konstruieren, der einen bakteriellen Arabinose-Stoffwechselweg mit dem eukaryontischen Xylose-Reduktase/Xylitol-Dehydrogenase-Weg kombinierte, scheiterten an der unspezifischen Umsetzung der Arabinose durch die Xylose-Reduktase zu dem nicht weiter verstoffwechselbaren Arabitol. Für einen industriellen Einsatz der rekombinanten Hefen war es unerlässlich, die Eigenschaften für die Pentose-Umsetzung in Industrie-relevante Hefe-Stämme zu übertragen. Durch die Etablierung von genetischen Methoden und Werkzeugen ist es in dieser Arbeit gelungen, Industrie-Stämme zu konstruieren, die in der Lage sind, Arabinose oder Xylose zu metabolisieren. Dabei wurden die heterologen Gene stabil in die Chromosomen der Stämme integriert. Diese wurden mit Hilfe von „Evolutionary Engineering“ so optimiert, dass sie die Pentose-Zucker als alleinige Kohlenstoffquellen zum Wachstum nutzen konnten. Fermentationsanalysen zeigten eine effiziente Umsetzung der Pentosen zu Ethanol in diesen Stämmen. Damit ist ein neuer Startpunkt für die Konstruktion von industriellen Pentose-fermentierenden Hefe-Stämmen markiert, der zukünftig effizientere Bioethanol-Produktion ermöglichen wird.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion des in der Membran des Endoplasmatischen Retikulum lokalisierten Proteins Gsf2 der Hefe Saccharomyces cerevisiae näher charakterisiert. Gsf2 ist ein 46 kDa großes ER-Transmembran-Protein mit zwei membrandurchspannenden Domänen, wobei C- und N-Terminus cytosolisch orientiert sind. Zudem besitzt Gsf2 C-terminal ein klassisches Dilysin-Motiv. Dies deutet daraufhin, dass Gsf2 über den retrograden Transportweg mittels COPI-Vesikel recycelt wird. Dies impliziert auch einen Transport von Gsf2 über den anterograden Transportweg [COPII]. Bisherige Befunde deuteten darauf hin, dass Gsf2 in das sekretorische System involviert ist. Eine Deletion des GSF2-Gens resultiert in einer Retention der Hexosetransporter Hxt1, Hxt3 und Gal2 im ER. Für die Identifikation von potentiellen Interaktionspartnern von Gsf2 im sekretorischen System wurden Protein-Protein-Interaktionsstudien mit Hilfe des Split-Ubiquitin-Systems [SUS] durchgeführt. Dabei konnten Interaktionen zwischen den Proteinen Sar1, Sec12, Hxt1 und dem Sec61-Translokations-Komplex mit dem vermeintlichen Verpackungschaperon Gsf2 identifiziert werden. Zusätzlich konnte unter Anwendung einer Pull-Down-Analyse die Interaktion zwischen Gsf2 und Hxt1 biochemisch bestätigt werden. Zur Aufklärung von funktionellen Domänen, wurde ein in Gsf2 identifiziertes potentielles ER-Export-Motiv [RR](F)[RR] durch den Austausch durch fünf Alanine modifiziert. Die Veränderung der Aminosäuresequenz [RR](F)[RR] (354-358 AS) in Gsf2 bewirkte einen partiellen Funktionsverlust bei einer restriktiver Temperatur von 37°C. Des Weiteren deuteten mehrere Anhaltspunkte darauf hin, dass Gsf2 mit Hxt1 in COPII Vesikel verpackt wird. Eine Aufreinigung von konstitutiven COPII-Vesikel aus in vivo erwies sich experimentell als nicht durchführbar. Deshalb wurde ein in vitro Ansatz [COPII vesicle budding assay] ausgewählt. Dafür wurden die für die Vesikelbildung benötigten Komponenten aufgereinigt und mit ER-Donormembranen inkubiert. Mittels Western-Blot-Analyse konnte Gsf2 in COPII Vesikeln nachgewiesen werden. Das Vorhandensein eines klassischen Rücktransport-Motivs (KKSN) am C-Terminus von Gsf2 weist zudem daraufhin, dass das Protein über den retrograden Transportweg [COPI] zurück zum ER transportiert wird. Durch die Blockade des retrograden Transportweges mit anschließender Lokalisationsuntersuchungen mittels Saccharosedichtegradienten-Zentrifugation und Fluoreszenzmikroskopie konnte eine Fehlverteilung von Gsf2 an der Plasmamembran festgestellt werden. Somit wird Gsf2 möglicherweise über den retrograden Transportweg recycelt. Postuliert wird ein Modell bei dem Gsf2 für die Aufkonzentration spezifischer Cargomoleküle [Hxt1] an ER-Exit-Sites zuständig ist und deren Verpackung in COPII Vesikel gewährleistet. Anschließend wird es über den retrograden Transportweg zurück zu ER transportiert.
Die Verbreitung westlicher Verhaltens- und Lebensmuster im Rahmen der Globalisierung führt zu einer dramatischen Zunahme des Typ 2 Diabetes. Eine schwerwiegende Komplikation der diabetischen Erkrankung ist die Wundheilungsstörung, deren molekulare Pathophysiologie noch weitgehend unverstanden ist. Voraussetzung für einen koordinierten Wundheilungsprozess ist die ausgewogene Interaktion wundheilungsrelevanter Faktoren, die eine Vielfalt an Signaltransduktionskaskaden induzieren und somit zu einem streng kontrollierten Heilungsprozess beitragen. Darüber hinaus scheint auch die Insulinsensitivität der Haut für den Heilungsverlauf eine essentielle Rolle zu spielen. Da die Proteinkinase B/Akt nicht nur ein zentrales Molekül der Insulin-Signaltransduktion ist, sondern als Knotenpunkt vieler Signalkaskaden im Mittelpunkt zellulärer Ereignisse steht, sollte in der vorliegenden Arbeit die Rolle und Funktion der Proteinkinase Akt in der kutanen Wundheilung untersucht werden. Sowohl in der Haut als auch im Wundgewebe konnte Akt1 als dominante Isoform identifiziert werden. Die Verletzung des Hautgewebes induzierte einen Anstieg der Akt1-Expression und -Phosphorylierung in der Epidermis akut heilender Wunden. Insbesondere die am Wundrand gelegenen Keratinozyten waren durch eine starke Expression der Akt1-Kinase gekennzeichnet. Die Phosphorylierung und somit Aktivierung der Akt1-Kinase stieg im Verlauf der Wundheilung stetig an und erreichte ihr Maximum in der Endphase des Heilungsprozesses. Begleitet wurde die Aktivierung dieser Kinase von einer Phosphorylierung des eIF4E-BP1 und einer starken VEGF-Sekretion. Dagegen konnte in diabetisch chronischem Wundgewebe weder eine Aktivierung der Akt1-Kinase noch eine Phosphorylierung des eIF4E-BP1 nachgewiesen werden, was mit einer deutlich verminderten VEGF-Sekretion einherging. Um nun zu untersuchen, ob im Prozess der Wundheilung die VEGF-Sekretion in einem funktionellen Zusammenhang zur Akt1-Aktivierung steht, wurde in vitro der Einfluss wundheilungsrelevanter Faktoren, wie EGF, einer Kombination proentzündlicher Zytokine oder Insulin auf die Aktivierung der Akt1-Kinase und VEGF-Biosynthese untersucht. Obwohl alle Faktoren sowohl eine Aktivierung der Akt1-Kinase als auch VEGF-Sekretion induzierten, wurde ausschließlich die Insulininduzierte VEGF-Biosynthese über den PI3-Kinase/Akt-Signalweg vermittelt. Die Regulation der Insulin-induzierten VEGF-Biosynthese erfolgte posttranskriptionell aus einem gleichbleibenden Pool an VEGF-mRNA über die Phosphorylierung des eIF4E-BP1. Durch die Überexpression einer konstitutiv aktiven Akt1-Mutante und die Verwendung des mTOR-Inhibitors Rapamycin konnte mTOR als Mediator der Akt1-vermittelten Phosphorylierung des eIF4E-BP1 und somit der VEGF-Biosynthese identifiziert werden. In vitro-Lokalisationsexperimente zeigten, dass eine vollständig phosphorylierte und somit aktive Akt1-Kinase nach Insulinstimulation im Zytoplasma lokalisiert ist - exakt dort, wo die Regulation der Translation stattfindet. Zusammenfassend weisen diese Ergebnisse darauf hin, dass Insulin im kutanen Heilungsverlauf die VEGF-Biosynthese posttranskriptionell über eine Akt1-vermittelte Phosphorylierung des eIF4E-BP1 induzieren kann. Eine ausbleibende Akt-Aktivierung in insulinresistenten Keratinozyten könnte somit zu einer verminderten VEGF Sekretion und folglich zu einer verzögerten Angiogenese in chronisch diabetischen Wunden beitragen.
Neuere Daten weisen p53 eine wichtige Rolle in der Verarbeitung von Mangelsignalen zu und deuten darauf hin, dass p53-abhängige molekulare Mediatoren des Warburg-Effektes Glukoseverbrauch und mitochondriale Funktion regulieren. Wir stellten deshalb die Hypothese auf, dass p53-wildtyp (p53wt) in Gliomzellen den metabolischen Bedarf reduzieren kann, der durch deregulierte Signaltransduktionsprozessen unter Mangelbedingungen zu Stande kommt. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass sowohl die shRNA-vermittelte p53-Gensuppression als auch die Temperatur-sensitive dominant-negative p53V135A Mutante in humanen p53wt-Gliomzellen Glukoseverbrauch und Laktatproduktion erhöht, den Sauerstoffverbrauch reduziert und den Hypoxie-induzierten Zelltod steigert. Überdies konnte beobachtet werden, dass eine zelluläre p53-Suppression die Expression von Synthesis of Cytochrome c Oxidase 2 (SCO2), eines Effektors, der in der Atmungskette benötigt wird, reprimiert. Die Restoration von SCO2 in p53wt-defizient-Zellen konnte Glukoseverbrauch, Laktatproduktion und Sauerstoffverbrauch wieder normalisieren, und vermittelte zugleich eine Resistenz gegenüber Hypoxie von Rotenone, einem Inhibitor des Komplex I der Atmungskette, abhängige Weise. Dies zeigte, dass die SCO2-vermittelten Effekte von einer intakten oxidativen Phosphorylierung abhängig waren. Schließlich vermittelte eine Gensuppression von SCO2 in p53wt-Gliomzellen eine Sensibilisierung dieser Zellen gegenüber moderater Hypoxie. Es konnte auch gezeigt werden, dass p53 und HIF-1alpha miteinander kooperieren, um SCO2 unter Hypoxie zu induzieren, was suggeriert, dass i) SCO2 ein neues HIF-1alpha Zielgen sein könnte und ii) SCO2 ein neues Zielprotein darstellen könnte, um Atmung und ROS-Prävention über HIF-alpha zu modulieren. Diese Befunde deuten darauf hin, dass Gliomzellen einen Nutzen aus dem Aufrechterhalten eines p53wt-Status erzielen können, da dies ihre Vulnerabilität gegenüber moderater Tumor-Hypoxie reduzieren kann, und dass dieser Effekt SCO2-vermittelt ist. Dennoch konnte die Sensitivität von p53wt-defizient-Zellen gegenüber hochgradiger Hypoxie-induziertem Zelltod nicht über die Effekte von SCO2 erklärt werden, da diese Oxidase ihre Funktionen nur unter ausreichend oxyschen Bedingungen erfüllen kann. Um die Mechanismen aufzuklären, die p53wt-Zellen vor hochgradiger Hypoxie Schutz verleihen, wurde die Rolle von TIGAR (Tp53 Induced Glycolysis and Apoptosis Regulator), eines weiteren kürzlich charakterizierten metabolischen p53-Zielgens, untersucht. TIGAR zeigt Ähnlichkeit mit der Fruktose-Bisphosphatase-2-Domäne des bifunktionalen Enzyms 6-Phosphofrukto-2-Kinase/Fruktose-2,6-Biphosphatase 2, und reduziert die intrazellulären Konzentrationen von Fruktose-2,6-Bisphosphat (FBP-2). FBP-2 ist ein Glykolyse-Regulator, der in höheren Konzentrationen die Glykolyse hemmt und den Pentose-Phosphat-Weg (PPP) induziert, was zu einer Verringerung der intrazellulären reaktiven Sauerstoffspezies-Konzentrationen (ROS) führt. Die Überexpression von TIGAR in p53wt-Zellen verstärkte die Glykolyse-Hemmung unter normoxischen Bedingungen und erlaubte oxidative Phosphorylierung als kompensatorischen metabolischen Mechanismus. Zudem förderte TIGAR die Expression von Lon, einer Protease, die Untereinheiten der Atmungskette modulieren kann, und zugleich als Radikalfänger fungiert. Jedoch reduzierte TIGAR die Expression von SCO2. Die Restoration von TIGAR in p53wt-defizient-Zellen konnte die Sensibilität gegenüber hochgradiger Hypoxie aufheben. TIGAR reduzierte auch die ROS-Menge und verringerte die Sensitivität gegenüber oxidativen Stress. Zugleich sensibilisierte die Gensuppression von TIGAR in p53wt-Gliomzellen diese Zellen vor hochgradiger Hypoxie. Zudem korrelierte die Expression von HIF-1alpha mit der TIGAR-Expression, was eine neue Rolle von HIF-1alpha in der Regulation des Hypoxie-induzierten Zelltodes und der Protektion vor ROS vermuten ließ. Die Expression der Transketolase-Like-1 (TKTL1), eines Isoenzym der Transketolase im Pentose-Phosphat-Weg, ist in vielen Tumoren hochreguliert. Es wurde spekuliert, dass TKTL1 Zellen Schutz vor oxidativem Zellstress vermitteln kann. Zugleich ist bekannt, dass TKTL1 mit hohen phospho-Akt-Mengen in Gliomen korreliert. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass TKTL1 ein indirektes p53-Zielgen ist, welches über TIGAR reguliert werden kann. Eine Suppression der TKTL1-Expression in TIGAR-exprimierenden Zellen konnte die über TIGAR vermittelten protektiven Effekte gegenüber endogenen ROS, oxidativem Stress und Hypoxie-induziertem Zelltod aufheben. Folglich wurde hier ein bis jetzt unbekannter Zusammenhang zwischen TIGAR, TKTL1 und HIF-1alpha entdeckt. Ebenso konnte eine TKTL1-Suppression mittels siRNA wie die TIGAR-Suppression die HIF1-alpha-Transaktivierungsfähigkeit reduzieren, was zu der Vermutung Anlass gab, dass TKTL1 HIF1-alpha unter Hypoxie reguliert.
Operons wurden zuerst im Jahre 1961 beschrieben. Bis heute ist bekannt, dass die prokaryotischen Domänen Bacteria und Archaea Gene sowohl in monocistronischen als auch in bi- oder polycistronischen Transkripten exprimieren können. Häufig überlappen Gene sogar in ihren Sequenzen. Diese überlappenden Genpaare stehen nicht in Korrelation mit der Kompaktheit ihres Genoms. Das führt zu der Annahme, dass eine Art der Regulation vorliegt, welche weitere Proteine oder Gene nicht benötigt. Diese könnte eine gekoppelte Translation sein. Das bedeutet die Translation des stromabwärts-liegenden Gens ist abhängig von der Translation eines stromaufwärts-liegenden Gens. Diese Abhängigkeit kann zum Beispiel durch lang reichende Sekundärstrukturen entstehen, bei welchen Ribosomenbindestellen (RBS) des stromabwärts-liegenden Gens blockiert sind. Die de novo-Initiation am stromabwärts-liegenden Gen kann nur stattfinden, wenn das erste Gen translatiert wird und dabei die Sekundärstruktur an der RBS aufgeschmolzen wird. Für Genpaare in E. coli ist dieser Mechanismus gut untersucht. Ein anderes Beispiel für die Translationskopplung ist die Termination-Reinitiation, bei welcher ein Ribosom das erste Gen translatiert bis zum Stop-Codon, dort terminiert und direkt am stromabwärts-liegenden Start-Codon reinitiiert. Der Mechanismus via Termination-Reinitiation ist bis jetzt nur für eukaryontische Viren beschrieben worden. Im Gegensatz zu einer Kopplung über Sekundärstrukturen kommt es bei der Termination-Reinitiation am stromabwärts-liegenden Gen nicht zu einer de novo-Initiation sondern eine Reinitiation des Ribosoms findet statt. Diese Arbeit analysiert jene Art der Translationskopplung an Genen polycistronischer mRNAs in jeweils einem Modellorganismus als Vertreter der Archaea (Haloferax volcanii) und Bacteria (Escherichia coli). Hierfür wurden Reportergenvektoren erstellt, welche die überlappenden Genpaare an Reportergene fusionierten. Für diese Reportergene ist es möglich die Transkriptmenge zu quantifizieren sowie für die exprimierten Proteine Enzymassays durchgeführt werden können. Aus beiden Werten können Translationseffizienzen berechnet werden indem jeweils die Enzymaktivität pro Transkriptmenge ermittelt wird. Durch ein prämatures Stop-Codon in diesen Konstrukten ist es möglich zu unterscheiden ob es für die Translation des zweiten Gens essentiell ist, dass das Ribosom den Überlapp erreicht. Hiermit konnte für neun Genpaare in H. volcanii und vier Genpaare in E. coli gezeigt werden, dass eine Art der Kopplung stattfindet bei der es sich um eine Termination-Reinitiation handelt. Des Weiteren wurde analysiert, welche Auswirkungen intragene Shine-Dalgarno Sequenzen bei dem Event der Translationskopplung besitzen. Durch die Mutation solcher Motive und dem Vergleich der Translationseffizienzen der Konstrukte, mit und ohne einer SD Sequenz, wird für alle analysierten Genpaare beider Modellorganismen gezeigt, dass die SD Sequenz einen Einfluss auf diese Art der Kopplung hat. Zwischen den Genpaaren ist dieser Einfluss jedoch stark variabel. Weiterhin wurde der maximale Abstand zwischen zwei bicistronischen Genen untersucht, für welchen Translationskopplung via Termination-Reinitiation noch stattfinden kann. Hierfür wird durch site-directed mutagenesis jeweils ein prämatures Stop-Codon im stromaufwärts-liegenden Gen eingebracht, welches den intergenen Abstand zwischen den Genen in den jeweiligen Konstrukten vergrößert. Der Vergleich aller Konstrukte eines Genpaars zeigt in beiden Modellorganismen, dass die Termination-Reinitiation vom intergenen Abstand abhängig ist und die Translationseffizienz des stromabwärts-liegenden Reporters bereits ab 15 Nukleotiden Abstand abnimmt.
Eine weitere Fragestellung dieser Arbeit war es, den genauen Mechanismus der Termination-Reinitiation zu analysieren. Für Ribosomen gibt es an der mRNA nach der Termination der Translation zwei Möglichkeiten: Entweder als 70S Ribosom bestehen zu bleiben und ein weiteres Start-Codon auf der mRNA zu suchen oder in seine beiden Untereinheiten zu dissoziieren, während die 50S Untereinheit die mRNA verlässt und die 30S Untereinheit über Wechselwirkungen an der mRNA verbleiben kann. Um diesen Mechanismus auf molekularer Ebene zu untersuchen, wird ein Versuchsablauf vorgestellt. Dieser ermöglicht das Event bei der Termination-Reinitiation in vitro zu analysieren. Eine Unterscheidung von 30S oder 70S Ribosomen bei der Reinitiation der Translation des stromabwärts-liegenden Gens wird ermöglicht. Die Idee dabei basiert auf einem ribosome display, bei welchem Translationskomplexe am Ende der Translation nicht in ihre Bestandteile zerfallen können, da die eingesetzte mRNA kein Stop-Codon enthält Der genaue Versuchsablauf, die benötigten Bestandteile sowie proof-of-principal Versuche sind in der Arbeit dargestellt und mögliche Optimierungen werden diskutiert.
In the last couple of years the research on natural products concerning ecological questions has gained more and more interest. Especially natural products play an important role for the maintenance of symbiotic relationships.
Here we present the application of the “overlap extension PCR-yeast homologous recombination“(ExRec) to simplify the availability of natural products. We successfully cloned a 45 kb gene cluster and characterized two new peptides ambactin and xenolindicin from Xenorhabdus – the latter derived from a silent gene cluster. ExRec is a very efficient cloning technique and resembles a powerful method regarding the assembly of large gene clusters as well as the cloning from metagenomic libraries or RNA pools.
In addition, we discovered bacterial pyrrolizidine alkaloids from Xenorhabdus, referred to as pyrrolizixenamides. The gene cluster consisted of a NRPS and a hydroxylase encoding gene. Surprisingly, this gene cluster and its variations (type A to D) can be found throughout the bacterial kingdom which might indicate an essential function. While these substances are mainly known to play a role in the defense mechanism of plants, the function of the identified pyrrolizixenamides from Xenorhabdus yet remains unsolved.
Moreover, we firstly identified a phosphopantetheinyl transferase (PPTase) from the lichenized fungus of Evernia prunastri. The gene eppA encoding a Sfp-type PPTase was heterologously expressed in Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae and functional characterized by indigoidine production and complementation of lys5, respectively. All represented results contribute to the elucidation of natural products and thereby to their role in nature with special regard to symbiotic associations.
Genetic engineering of Saccharomyces cerevisiae for improved cytosolic isobutanol biosynthesis
(2021)
The finite nature of fossil resources and the environmental problems caused by their excessive usage requires alternative approaches. The transformation from a fossil based economy to one based on renewable biomass is called a “bioeconomy”. To substitute fossil resources, various microorganisms have already been modified for the biosynthesis of valuable chemicals from biomass. However, the development of such efficient microorganisms at an industrial scale, remains a major challenge. The most prominent and robust microorganism for industrial production is the yeast Saccharomyces cerevisiae, which is known to produce ethanol that is used as renewable biofuel. However, S. cerevisiae is also naturally able to produce isobutanol in small amounts. Isobutanol is favoured as a biofuel compared to ethanol due to its higher octane number and lower hygroscopicity, which makes it more suitable for application in conventional combustion engines. In S. cerevisiae, the biosynthesis of isobutanol is permitted by the combination of mitochondrial valine synthesis (catalysed by Ilv2, Ilv5 and Ilv3) and its cytosolic degradation (catalysed by Aro10 and Adh2). The different compartmentalisation of the two pathways limit isobutanol biosynthesis. Thus, Brat et al. (2012) were able to increase the isobutanol yield up to 15 mg/gGlc by cytosolic re localisation of the enzymes Ilv2Δ54, Ilv5Δ48 and Ilv3Δ19 (cyt-ILV), with simultaneous deletion of ilv2. This corresponds to approximately 3.7% of the theoretical yield of 410 mg/gGlc, implying existing limitations in isobutanol biosynthesis, which have been investigated in this work.
For yet unknown reasons, isobutanol was only produced by S. cerevisiae in a valine free medium, according to Brat et al. (2012). This work shows that this can be attributed to the catalytic activity of Ilv2Δ54, which acted as growth inhibitor to S. cerevisiae. By this logic, a negative selection on the ILV2∆54 gene was exerted, which made the ilv2 deletion and simultaneous valine exclusion necessary to maintain the functional expression of toxic ILV2∆54. Furthermore, it was shown that valine exclusion is not mandatory due to the feedback regulation of Ilv2, permitted by Ilv6. Rather, increased isobutanol yield was observed when cytosolic Ilv6∆61 was expressed in the valine free medium, which is explained by the enhanced regulation of Ilv2Δ54 by Ilv6∆61 when BCAA are absent. Isobutanol biosynthesis is neither redox nor NAD(P)H co factor balanced. It was seen that co factor imbalance could be mitigated by the expression of an NADH oxidase (NOX), but not by expression of the NADH dependent ilvC6E6, since the latter showed low in vivo activity. Furthermore, it was seen that NAD(H) imbalance did already limit isobutanol biosynthesis, but the NADP(H) imbalance did not. Another limitation of cytosolic isobutanol biosynthesis is the secretion of the intermediate 2‑dihydroxyisovalerate, which then no longer is taken up by S. cerevisiae, causing a reduced isobutanol yield. This is attributed to insufficient Ilv3∆19 activity, due to poor iron sulphur cluster apo protein maturation. Therefore, it was aimed to replace Ilv3∆19 by heterologous dihydroxyacid dehydratases. Even though some of the enzymes were functionally expressed, none showed better in vivo activity than Ilv3∆19. Therefore, the Ilv3∆19 apo protein maturation was improved. This was achieved by the genomic deletion of fra2 or pim1 as well as by the cytosolic expression of Grx5∆29.
In addition to the isobutanol pathway, S. cerevisiae was optimised for isobutanol biosynthesis by rational and evolutionary engineering. For this purpose, the genes which are necessary for isobutanol production were integrated into the ilv2 locus, and the resulting strain was evolved in a medium containing the toxic amino acid analogue norvaline. Evolved single colonies were isolated, which presented improved growth and increased isobutanol yields (0.59 mg/gGlc) in a valine free medium, as compared to the initial strain. This is explained by a gene dosage effect which occurred during the evolutionary engineering experiment. In collaboration with Dr. Wess, the genes ilv2, bdh1/2, leu4/9, ecm31, ilv1, adh1, gpd1/2 and ald6 were cumulatively deleted in CEN.PK113 7D to block competing metabolic pathways. The resulting strain JWY23 achieved isobutanol yields up to 67.3 mg/gGlc, when expressing the cyt ILV enzymes from a multi copy vector. The most promising approaches of this work, namely the deletion of fra2 and the expression of Grx5∆29, Ilv6∆61, and NOX, were confirmed in this JWY23 strain. The highest isobutanol yield from this work was observed at 72 mg/gGlc for Ilv6∆61 and cyt ILV enzymes expressing JWY23, which corresponds to 17.6% of the theoretical isobutanol yield.
Isobutyric acid (IBA) is a by product of isobutanol biosynthesis, but it is also considered a valuable platform chemical. Therefore, the approaches that improved isobutanol biosynthesis were applied to the biosynthesis of IBA in S. cerevisiae. The highest IBA yield of 9.8 mg/gGlc was observed in a valine free medium by expression of cyt ILV enzymes, NOX and Ald6 in JWY04 (CEN.PK113 7D Δilv2; Δbdh1; Δbdh2; Δleu4; Δleu9; Δecm31; Δilv1). This corresponded to an 8.9 fold increase compared with the control and is, to our best knowledge, the highest IBA yield reported to date for S. cerevisiae.
Natural products (NPs) have been a rich source for pharmaceutically used anti-infectives and other drugs. However, the application of anti-infectives inevitably causes the development of resistant and multiresistant pathogens, which have to be treated with novel anti-infectives. The industrial research for novel anti-infectives has been concentrating on members of the bacterial Actinomycetales for a long time. Due to several reasons, e.g. the rediscovery of already known NPs, pharmaceutical companies abandoned their NP-research and focused on drug development based on combinatorial chemistry. However, the limited structural diversity of merely synthetic compound libraries has not been a fruitful source for bioactive compounds. Hence the discovery of novel bioactive NPs as a source for anti-infectives is still of economical and humanitarian interest and will remain to be an important branch of research in the future. One strategy to circumvent the rediscovery of bioactive NPs is the analysis of yet unexplored bacterial taxa. Based on this assumption, this work aimed at the discovery of novel NPs from the entomopathogenic bacterial genera Xenorhabdus and Photorhabdus and other promising taxa, as well as the investigation of their biosynthesis. ...
Saccharomyces cerevisiae is a natural producer of isobutanol, which has more advantages as biofuel than ethanol, i.e. superior combustion energy, weaker corrosive action and reduced aqueous miscibility. Isobutanol is produced by the combination of the valine biosynthesis and the Ehrlich pathway. In this work, an industrial strain was employed for isobutanol production, in which the valine pathway was relocated into the cytosol. The valine pathway in yeast has a cofactor imbalance, since the glycolysis produces NADH, while Ilv5 employs NADPH for the reaction. Therefore, the cofactor specificity of the pathway was rebalanced with exchange of Ilv5 by an NADH-consuming mutant, IlvC6E6. Furthermore, Ilv6, which regulates the feed-back inhibition of the valine biosynthesis, was tested to boost isobutanol production; however, none of these Ilv6 alternatives could greatly enhance isobutanol production. Therefore, due to a still low production yield, the bottlenecks of the isobutanol pathway were deeper studied.
The major observed bottleneck concerned the conversion of DIV into KIV, since high concentrations of acetoin, 2,3-butandiol and, specially, DIV were observed in the fermentation supernatant, while neither KIV nor isobutyraldehyde were detected. This step is performed by the dihydroxy-acid dehydratase, Ilv3, which needs iron-sulfur clusters for its activity. Therefore, the first approach to circumvent this limitation was to increase the FeS assembly and its transference into the cytoplasm; however, Ilv3Δ19 activity was not improvement. Afterwards, Ilv3 alternatives were screened for substitution of Ilv3Δ19. Heterologous ILV3 orthologous with possible advantages were investigated, but Ilv3Δ19 was still the most promising alternative. Furthermore, sugar-acid enolases were tested as Ilv3Δ19 substitutes. These enolases also catalyze the dehydration of the substrate in the same way as Ilv3, but uses Mg2+ as cofactor. One of the employed enolases could complement valine auxotrophy; however, it allowed just a very slow growth of the Δilv3 strain and its activity could not be enhanced by mutagenesis studies.
Interestingly, we observed that once DIV is secreted out of the cell, it cannot be re-uptaken from the medium and this possibly further aggravates the pathway flux and Ilv3Δ19 activity. In order to suppress DIV waste, two strategies were formulated: the deletion of the possible DIV transporter, and the substrate channeling of DIV from IlvC6E6 to Ilv3Δ19. In order to find possible DIV export proteins, a transcriptome analysis of a strain producing high amounts of DIV against a strain producing no detected DIV were compared. Several transporters were found upregulated in the DIV producing strain, but, alone, none of these were responsible for the DIV efflux. For the substrate channeling, an artificial enzymatic net was constructed by the fusion of IlvC6E6 and Ilv319 with synthetic zippers, which have high affinity to each other, and as both enzymes are alone organized as oligomers. The use of this enzymatic net enhanced not only the isobutanol production in about 17%, but also 3-methyl-butanol production yield was 25% increased.
Nevertheless, together with bottlenecks arising from Ilv3 activity, the isobutanol production is limited by the ethanol production, which is the main product of S. cerevisiae. Therefore, in order to abolish ethanol production, PDC1 and PDC5 were deleted. Moreover, BDH1 and BDH2 were also deleted to create an NADH-driving force towards isobutanol production. However, the isobutanol yield of this mutant was even lower than that of the strain without the mentioned deletions. As a high production of isobutyric acid was observed, and it could be produced directly from KIV, different KIV decarboxylases and isobutanol dehydrogenases were investigated; but without improvement. Then, alternative pathways were abolished in other to favor isobutanol production, e.g. valine, leucine, isoleucine and panthotenate biosyntheses. Nevertheless, isobutanol yields were still low and the main byproducts were glycerol, acetoin, DIV and isobutyric acid. Despite the outcomes were not enough to enhance isobutanol production up to commercially required yields, these results help in the comprehension of the bottlenecks surrounding the isobutanol production pathway and serve as basis for further studies within the branched-chain amino acids biosynthesis and Ehrlich pathway.
Nearly 170 million people are chronically infected with HCV and thus at risk of developing liver cirrhosis and hepatocellular carcinoma. Although new and effective oral antiviral drugs are available, there is still the need for a preventive vaccine. In addition, in light of the high number of patients who are chronically infected with HCV the development of a therapeutic vaccine will present a support or even an alternative to the expensive medications.
To induce HCV-specific immune responses in a vaccine model, the HBV capsid is used as a carrier to deliver HCV antigens. Due to its icosahedral structure, the HBV capsid is highly immunogenic and helps to elicit a strong B cell response against the delivered antigens. In addition, the translocation motif (TLM) from the HBV surface protein is fused to the core protein. The TLM conveys membrane-permeability to the carrier capsid, enabling antigen transfer into the cytoplasm, and thus allows immunoproteasomal processing and MHC class I-mediated presentation of the antigen. To load the capsid with foreign antigens, a strep-Tag/streptavidin system is utilized. Recombinant capsids and antigens were purified from the E. coli production system. Detailed characterization of the carrier capsid demonstrated the proper assembly, adequate thermal stability and the successful loading of the foreign antigens onto the capsid surface.
As a further step, seven different HCV-derived proteins were produced and purified for the coupling on the surface of TLM-core particles. The characterization of their immunogenicity using this system is being performed.
Using ovalbumin as a model antigen, which is coupled to the carrier capsids via strep-Tag/streptavidin binding, shows that this system is suitable to efficiently deliver antigens into the cytoplasm of antigen-presenting cells (APCs), leading to the activation of APCs. This activation was assessed by measuring the secretion of IL-6 and TNF-α, in addition to the upregulation of activation markers (CD40, CD80, CD69, and MHC class I). Upon activation, the APCs were able to activate ova-specific CD8+ T cells measured by secreted IFN-γ, which was up to 20-folds more than IFN-γ secreted upon incubation with free ovalbumin. These data indicate that the TLM-capsid is suitable to serve as a carrier to deliver foreign antigens into the cytoplasm of APCs leading to MHC class I-mediated presentation and induction of an antigen-specific CTLs response.
This thesis describes the adaptation of Acinetobacter species to dry environments with the soil bacterium A. baylyi and the opportunistic hospital pathogen A. baumanii in its focus. The adaptation of A. baylyi and A. baumannii to osmotic stress was investigated. Compatible solutes that were uptaken from the environment or synthesized de novo to cope with the loss of water at high salinity were identified. The corresponding transporters and enzymes involved were characzerized. In addition, the desiccation resistance of A. baumannii was analyzed to elucidate its survival in hospital environments. The usage of compatible solutes during desiccation stress was analyzed and proteins that were produced were identified.
The availability of water is essential for bacterial life and if environmental conditions are awkward, bacteria have to cope with high salinitiy to prevent loss of water. In this thesis it was shown that A. baylyi synthesizes glutamate and mannitol de novo as compatible solutes in response to osmotic stress to balance the osmotic potential. The pathway for mannitol biosynthesis from Fructose-6-Phosphate (F-6-P) via Mannitol-1-Phosphate (Mtl-1-P) was elucidated and the isolation and characterization of a novel type of biofunctional enzyme was described. Interestingly, the unique bifunctional enzyme MtlD, acting as dehydrogenase and phosphatase, mediates both steps of the mannitol biosynthesis pathway. This enzyme catalyzes the reduction of F-6-P to Mtl-1-P with NADPH as reducing equivalent. The dehydrogenase activity of MtlD was salt dependent and the phosphatase activity was dependent on Mg2+ as cofactor. Phylogenetic analyses revealed that MtlD is broadly distributed among other Acinetobacter strains but not in other phylogenetic tribes.
In this thesis it is also described that, besides de novo synthesis of compatible solutes, A. baylyi takes up glycine betaine (GB) or its precursor choline by different transport systems and uses this solutes as osmoprotectants. The uptake of GB occurs via a secondary transporter (ACIAD3460) of the BCCT family. Choline is taken up as precursor and oxidized to GB by two dehydrogenases. The uptake and use of choline as GB precursor involves two transporters, whose genes are encoded in the bet cluster (BetT1, BetT2), two dehydrogenases (BetA, BetB) and a regulatory protein (BetI). Both transporters differ from each other in structure and function: BetT1 is osmo-independent and active independently of osmotic stress. BetT2 contains - in contrast to BetT1 - a long C-terminal domain for osmo-sensing and its activity highly increases in the presence of high osmolarity. The oxidation of choline occurs independently of the osmolarity of the medium but in the absence of salt stress, GB is exported. In contrast, in the presence of high salinity, GB is accumulated in the cytoplasm to balance the osmotic potential in order to prevent loss of water. The regulation of both transporters, the uptake of choline independently of the osmolarity and the export of GB under isoosmotic conditions are regulated by the transcriptional regulator BetI.
A. baumannii ATCC 19606 was also shown to cope with high salinity. Analogously to A. baylyi, A. baumannii ATCC19606 synthesizes glutamate and mannitol de novo in response to osmotic stress. The genes for the synthesis of these compatible solutes are identical to those found in A. baylyi. This suggests that the solute biosynthesis pathways of A. baumannii and A. baylyi are identical. A. baumannii was also able to take up GB and choline in response to osmotic stress and growth at high salinity was restored upon addition of GB and its precursor choline. The bet cluster was also present in the genome A. baumannii and also contains the two different choline transporters BetT1 and BetT2.
Our suggestion that choline or GB or the utilization of phosphatidylcholine as carbon source led to an increase in the survival under desiccation stress was not confirmed. However, 2D analysis of proteins produced during desiccation stress in A. baumannii led to elevated amounts of proteins implicated in biofilm formation, regulation, cell morphology and general stress response, such as Hsp60 or superoxide dismutase, both might play a role in general stress protection.
In den vergangenen Jahren haben ökologische Fragen in der Naturstoffforschung mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Naturstoffe bilden dabei einen wichtigen Aspekt in der Aufrechterhaltung symbiotischer Systeme.
Symbiosen stellen eine der treibenden Kräfte der Evolution dar. Diese artenübergreifende Interaktion zweier Organismen ermöglicht die Evolution in wechselseitiger Anpassung, wobei per Definition in die Kategorien Mutualismus, Kommensalismus und Parasitismus unterschieden wird. Teilweise führt die obligatorische Abhängigkeit eines Organismus zum partiellen Merkmals- und Stoffwechselwegverlust, der durch seinen Symbiose-Partner kompensiert wird. In den meisten Fällen stellt Symbiose ein komplexes Netzwerk aus mehr als zwei Lebewesen dar.
Diese Arbeit beschreibt die Anwendung der Klonierungsmethode ExRec ("overlap extension PCR-yeast homologous recombination") für die vereinfachte Bereitstellung von Naturstoffen. Es konnte ein 45 kb großes Gencluster erfolgreich kloniert und zwei neue Peptide Ambactin und Xenolindicin aus Xenorhabdus charakterisieren werden, wobei letztgenanntes von einem stillen Gencluster stammt. ExRec stellt eine sehr effiziente und wichtige Methode für die Klonierung großer Gencluster als auch für die Klonierung aus Metagenombibliotheken und RNA Pools dar...
As fossil resources are diminishing, environmental concerns arise and chemical synthesis often involves expensive catalysts or extensive extraction procedures, the demand for production of industrially relevant compounds from renewable resources increases. In this context, engineering microorganisms for production of specialty chemicals, such as 3-alkylphenols, presents an attractive, environmental-friendly approach. 3-alkylphenols have various applications: due to their antiseptic and stabilizing properties many 3-alkylphenols, including 3-methylphenol (3-MP), are utilized as additives in disinfectant reagents and biological products, while they can be also implemented as platform chemicals for production of lubricating oil additives or flavors. Some 3-akylphenols have potential for transmission control of the disease sleeping sickness that is transmitted by tsetse flies in sub-saharan Africa, since 3-ethylphenol (3-EP) and 3-propylphenol (3-PP) and to a lesser degree 3-MP were found to attract tsetse flies and improved catch rates in impregnated tsetse fly traps. Microbial fermentation of 3-alkylphenols would provide a simple and inexpensive way for local communities in Africa to produce these compounds and prepare their own tsetse fly traps.
Some molds synthesize 3-MP as an intermediate during biosynthesis of the mycotoxin patulin. However, the heterologous host Saccharomyces cerevisiae has advantageous traits for industrial application, since it is well characterized, robust, simple to handle and easily genetically accessible. In this thesis, genetical engineering approaches were utilized to establish the yeast S. cerevisiae for biotechnological production of 3-alkylphenols. As a proof of concept, the iterative polyketide synthase from Penicillium patulum, 6-methylsalicylic acid synthase (MSAS), and 6-methylsalicylic acid (6-MSA) decarboxylase PatG from Aspergillus clavatus were heterologously expressed in S. cerevisiae resulting in the first reported de novo biosynthesis of 3-MP via 6-MSA in yeast from sugars (Hitschler & Boles, 2019). It was shown that codon-optimization and genomic integration of heterologous genes, high initial cell densities and a balanced expression of PatG were beneficial for heterologous production of up to 589 mg/L 3-MP in S. cerevisiae. However, toxicity of 3-MP limited higher product accumulation.
Different in vivo detoxification strategies were implemented to face this bottleneck. Growth tests revealed that 3-methylanisole (3-MA) is less toxic to the yeast cells than 3-MP. Expression of an orcinol-O-methyltransferase from chinese rose hybrids (OOMT2) was combined with in situ extraction converting the toxic 3-MP product into the volatile 3-MA and accumulating up to 211 mg/L 3-MA in the dodecane phase. Alternatively, up to 533 mg/L 3-MP glucoside were synthesized by expression of a UDP-glycosyltransferase (UGT72B27) from Vitis vinifera in the 3-MP producing strain, revealing saccharose as beneficial carbon source and ethanol growth phase as essential for high 3-MP production, although 3-MP conversions were not yet complete. Both detoxification strategies allowed circumvention of the toxicity imposed limited product accumulation. This was demonstrated when both detoxification strategies were combined with redirection of the carbon flux through deletion of phosphoglucose isomerase gene PGI1 and feeding a mixture of fructose and glucose leading to majorly improved product formation, with up to 899 mg/L 3-MA/3-MP and 873 mg/L 3-MP/3-MP glucoside, compared to less than 313 mg/L product titers in the wild type controls (Hitschler & Boles, 2020).
For provision of the tsetse fly attractants 3-EP from propionyl-CoA and 3-PP from butyryl-CoA, the substrate promiscuities of MSAS and PatG were exploited. However, slower formation rates with the alternative substrates propionyl-CoA and butyryl-CoA suggested that competing formation of 6-MSA from the preferred priming unit acetyl-CoA was dominating in vivo. Indeed, 3-EP or 3-PP formation was not observed in 3-MP producing yeast strains. Assuming that intracellular levels of propionyl-CoA and butyryl-CoA were limiting 3-EP and 3-PP formation, different strategies were implemented to raise the supply of these alternative priming units and successfully compete with acetyl-CoA for MSAS priming.
Supplementation of propionate increased propionyl-CoA levels by endogenous pathways sufficiently to enable 3-EP formation in yeast mediated by MSAS and PatG. Deletion of the 2-methylcitrate synthases CIT2 and CIT3 revealed that degradation of propionyl-CoA was not limiting 3-EP formation at this stage. In order to raise propionyl-CoA levels further, a heterologous propionyl-CoA synthase (PrpE) was expressed in the 3-MP producing yeast strain leading to up to 12.5 mg/L 3-EP with propionate feeding and blockage of degradation. Moreover, PrpE enabled also 3-EP formation without propionate supplementation suggesting that an endogenous supply of propionate existed that was reactivated by PrpE. As threonine or 2-ketobutyrate feeding increased 3-EP titers in combination with PrpE, this indicated that threonine degradation via 2-ketobutyrate was responsible for the endogenous propionate supply. Moreover, expression of branched-chain ketoacid dehydrogenase complex from Pseudomonas putida combined with PrpE provided propionyl-CoA from endogenous 2-ketobutyrate and raised 3-EP titers up to 5.9 mg/L compared to 2.8 mg/L with only PrpE indicating a potential route for optimization of 3-EP titers independent of propionate or threonine feeding.
For 3-PP production from butyryl-CoA, a heterologous ‘reverse ß-oxidation’ pathway was introduced in the 3-MP producing yeast strain providing sufficient butyryl-CoA for biosynthesis of up to 2 mg/L 3-PP. Degradation of the precursor via ß-oxidation was slightly limiting, since deletion of fatty acyl-CoA oxidase POX1 increased 3-PP titers slightly to 2.6 mg/L.
As the concentrations of 3-alkylphenols are close to the concentrations implemented in tsetse fly traps, the engineered yeast strains have the potential for simple and inexpensive on-site production of 3-alkylphenols as tsetse fly attractants by local rural communities in Africa. In spite of this success, 3-MP remained the main product in the developed yeast strains. Since 3-EP and 3-PP are more efficient tsetse fly attractants, a shift in substrate specificities of MSAS and PatG is desirable for a more favorable 3-EP/3-MP and 3-PP/3-MP product ratio regarding tsetse fly attraction. During rational engineering of MSAS, the MSASQ625A/I752V mutant showed a beneficial shift of product ratios with up to 11 mg/L 3-EP/63 mg/L 3-MP and 4.5 mg/L 3-PP/116 mg/L 3-MP, compared to a higher proportion of 3-MP with up to 343 mg/L, 11 mg/L 3-EP and 1.5 mg/L 3-PP in the wild type controls. Further engineering of MSAS and PatG might majorly improve production of 3-EP and 3-PP.
In summary, this thesis successfully established the yeast S. cerevisiae as cell factory for production of different 3-alkylphenols optimizing expression of the heterologous production pathway, elucidating means to detoxify products and establishing different approaches to increase intracellular levels of acyl-CoA precursors. The engineered yeast strains can be potentially implemented for simple and inexpensive fermentation of tsetse fly attractants in Africa.
Octanoic acid (C8 FA) is a medium-chain fatty acid which, in nature, mainly occurs in palm kernel oil and coconuts. It is used in various products including cleaning agents, cosmetics, pesticides and herbicides as well as in foods for preservation or flavoring. Furthermore, it is investigated for medical treatments, for instance, of high cholesterol levels. The cultivation of palm oil plants has surged in the last years to satisfy an increasing market demand. However, concerns about extensive monocultures, which often come along with deforestation of rainforest, have driven the search for more environmentally friendly production methods. A biotechnological production with microbial organisms presents an attractive, more sustainable alternative.
Traditionally, the yeast Saccharomyces cerevisiae has been utilized by mankind in bread, wine, and beer making. Based on comprehensive knowledge about its metabolism and genetics, it can nowadays be metabolically engineered to produce a plethora of compounds of industrial interest. To produce octanoic acid, the cytosolic fatty acid synthase (FAS) of S. cerevisiae was utilized and engineered. Naturally, the yeast produces mostly long-chain fatty acids with chain lengths of C16 and C18, and only trace amounts of medium-chain fatty acids, i.e. C8-C14 fatty acids. To generate an S. cerevisiae strain that produces primarily octanoic acid, a mutated version of the FAS was generated (Gajewski et al., 2017) and the resulting S. cerevisiae FASR1834K strain was utilized in this work as a starting strain.
The goal of this thesis was to develop and implement strategies to improve the production level of this strain. The current mode of quantification of octanoic acid includes labor-intensive, low-throughput sample preparation and measurement – a main obstacle in generating and screening for improved strain variants. To this end, a main objective of this thesis was the development of a biosensor. The biosensor was based on the pPDR12 promotor, which is regulated by the transcription factor War1. Coupling pPDR12 to GFP as the reporter gene on a multicopy plasmid allowed in vivo detection via fluorescence intensity. The developed biosensor enabled rapid and facile quantification of the short- and medium-chain fatty acids C6, C7 and C8 fatty acids (Baumann et al., 2018). This is the first biosensor that can quantify externally supplied octanoic acid as well as octanoic acid present in the culture supernatant of producer strains with a high linear and dynamic range. Its reliability was validated by correlation of the biosensor signal to the octanoic acid concentrations extracted from culture supernatants as determined by gas chromatography. The biosensor’s ability to detect octanoic acid in a linear range of 0.01-0.75 mM (≈1-110 mg/L), which is within the production range of the starting strain, and a response of up to 10-fold increase in fluorescence after activation was demonstrated.
A high-throughput FACS (fluorescence-activated cell sorting) screening of an octanoic acid producer strain library was performed with the biosensor to detect improved strain variants (Baumann et al., 2020a). For this purpose, the biosensor was genomically integrated into an octanoic acid producer strain, resulting in drastically reduced single cell noise. The additional knockout of FAA2 successfully prevented medium-chain fatty acid degradation. A high-throughput screening protocol was designed to include iterative enrichment rounds which decreased false positives. The functionality of the biosensor on single cell level was validated by adding octanoic acid in the range of 0-80 mg/L and subsequent flow cytometric analysis. The biosensor-assisted FACS screening of a plasmid overexpression library of the yeast genome led to the detection of two genetic targets, FSH2 and KCS1, that in combined overexpression enhanced octanoic acid titers by 55 % compared to the parental strain. This was the first report of an effect of FSH2 and KCS1 on fatty acid titers. The presented method can also be utilized to screen other genetic libraries and is a means to facilitate future engineering efforts.
In growth tests, the previously reported toxicity of octanoic acid on S. cerevisiae was confirmed. Different strategies were harnessed to create more robust strains. An adaptive laboratory evolution (ALE) experiment was conducted and several rational targets including transporter- (PDR12, TPO1) and transcription factor-encoding genes (PDR1, PDR3, WAR1) as well as the mutated acetyl-CoA carboxylase encoding gene ACC1S1157A were overexpressed or knocked out in producer or non-producer strains, respectively. Despite contrary previous reports for other strain backgrounds, an enhanced robustness was not observable. Suspecting that the utilized laboratory strains have a natively low tolerance level, four industrial S. cerevisiae strains were evaluated in growth assays with octanoic acid and inherently more robust strains were detected, which are suitable future production hosts.
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Photorhabdus and Xenorhabdus bacteria live in a highly specific symbiosis with nematodes that belong to the genus of Heterorhabditis and Steinernema, respectively. These cruiser type nematodes actively search for soil-dwelling insects and infect them via natural openings. Inside of the insect, the bacteria are released into the hemocoel where they start producing an array of secondary metabolites to bypass the insect immune system and kill the prey within 48 hours. Many of those natural products possess bioactivities against other bacteria, fungi, protozoa or insects, which makes them interesting candidates for pharmaceutical applications. Even though advanced molecular biological methods in combination with bioinformatics tools can now be used to predict biosynthetic gene clusters (BGCs) and their products, there are still many BGCs with unknown products. Even for the plethora of natural products that were successfully identified in the last couple of years, the exact ecological function often remains elusive, as laboratory conditions can vary considerably from the natural environment of the bacteria. Knowledge about the natural conditions that stimulate, or repress production of certain natural products and their underlying regulatory mechanisms yield new approaches for natural product research and enables possibilities for selective manipulations of the regulatory cascades.
The overarching goal of this work was to examine the regulatory networks in Photorhabdus and Xenorhabdus strains. The first part of this work focused on the Hfq-dependent regulation of specialized metabolite production. In those genera, the RNA chaperone, Hfq, represses expression of hexA, which encodes for a global transcriptional regulator that acts as the master repressor for SM production. Multiple global approaches were used to identify the sRNA ArcZ, which targets a specific region in the 5’-untranslated region of the hexA mRNA and ultimately guides Hfq in order to repress its expression. It was shown that a deletion of arcZ led to a drastic reduction of SM production in Photorhabdus and Xenorhabdus, consistent with the phenotype of their respective hfq deletion mutants. Transcriptomic profiling revealed far-reaching effects on the transcriptome, with up to 735 coding sequences significantly affected in the arcZ deletion strain. Finally, it was shown that the resulting chemical background, devoid of SMs, in combination with targeted promotor exchange can be used to exclusively overproduce a desired natural product, representing an alternative route of genetic manipulation.
The second part of this work focused on the influence and identification of insect related compounds that affect SM production in P. laumondii, X. szentirmaii and X. nematophila. Insect homogenate was generated from G. mellonella larvae, a model host for these bacteria. Supplementation of the cultivation medium with homogenate induced considerable shifts in the SM profiles of those bacteria. A global effect on the transcriptional output was determined by transcriptomic profiling. The core response to the simulation of an insect environment consisted of ten CDS, eight of which are involved in the degradation of fatty acids or the import of maltose and maltodextrin into the cells. Two abundant components in the insect homogenate, trehalose and putrescin, were added to the cultivation medium of those strains and subsequent HPLC-MS analysis revealed a direct correlation of their concentration in the medium and the production titres of certain SMs. These results indicated that the bacteria sense the insect environment via different insect specific components in order to initiate a metabolic adjustment, which is probably required for adaptation to the insect host.
The last part of this work examined the influence of other, so far not directly related genes on SM production, based on the isolation of P. laumondii transposon-insertion mutants with clear phenotypic alterations. Re-sequencing and SM profiling of the mutant strains revealed that a transposon-insertion in the gene encoding for a putative DNA-adenine methyltransferase affected SM production. The phenotype was confirmed by deleting this gene. Based on Single-Molecule Real-Time sequencing, the complete methylome of the WT, deletion- and complementation mutant were analysed (experimental work performed by Sacha J. Pidot, Melbourne, Australia). No obvious alterations were detected in the methylation patterns of the strains, indicating that the dam gene product does not methylate the adenine in GATC-motifs, as it was described in literature for E. coli. This data raises the question what the function of the putative DNA-adenine methyltransferase is in P. laumondii and how it can influence the secondary metabolism. Even though there is currently no clear evidence, the potential role of epigenetic gene regulation mechanisms should be considered in further work.
Die Substitution von klassischen, mit der Nahrungsmittelproduktion in Konkurrenz stehenden, Substraten wie Glukose durch alternative Kohlenstoffquellen in der Biotechnologie ist sowohl aus ethischer, als auch aus ökonomischer Sicht erstrebenswert. Diese Arbeit beschreibt die Synthese von Bulkchemikalien in Form zweier Dicarboxylsäuren und einer Feinchemikalie in Form eines Sesquiterpens aus dem alternativen Substrat Methanol mit Hilfe genetisch veränderter Stämme des methylotrophen α-Proteobakteriums Methylobacterium extorquens.
Mesacon- und (2S)-Methylsuccinsäure sind Dicarboxylsäurederivate der CoA-Ester Mesaconyl- und (2S)-Methylsuccinyl-CoA, die als Intermediate im Ethylmalonyl-CoA- Weg (EMCP) vorkommen. M. extorquens nutzt den EMCP für die Regeneration von Glyoxylat, das für das Wachstum auf C1-Substraten wie Methanol obligatorisch ist. In dieser Arbeit konnte erstmals Mesacon- und (2S)-Methylsuccinsäure de novo durch die Expression einer für die Vorstufen Mesaconyl- und (2S)-Methylsuccinyl-CoA aktiven Thioesterase produziert werden. Ein kobaltlimitiertes Wachstum von M. extorquens führte aufgrund mangelnder Cofaktorversorgung zweier Vitamin-B12-abhäniger Mutasen im EMCP zu einer Akkumulation der beiden CoA-Ester-Vorstufen, womit eine Produktion von 0.65 g/l Mesacon- und (2S)-Methylsuccinsäure erreicht wurde. Weitergehende Untersuchungen belegten außerdem einen positiven Effekt eines ausgeschalteten PHB-Zyklusses auf die Produktion der beiden EMCP- Dicarboxylsäurederivate.
Diese Arbeit beinhaltet zusätzlich grundlagenwissenschaftliche Untersuchungen zur Substitution der EMCP-katalysierten Glyoxylatregeneration durch einen heterologen Glyoxylatzyklus in EMCP-negativen M. extorquens-Stämmen. Dabei konnte erstmals ein methanolverwertendes, methylotrophes Bakterium identifiziert werden, das einen Serin-Zyklus in Kombination mit dem Glyoxylat-Zyklus zur Kohlenstoffassimilation verwendet, ohne dabei zusätzliche Stoffwechselwege zur CO2-Fixierung wie den EMCP, RuMP oder CBB-Zyklus zu verwenden.
Die Präsenz einer nativen C30-Carotinoidbiosynthese, ausgehend von der Vorstufe Farnesylpyrophosphat (FPP), empfiehlt M. extorquens als Produktionsorganismus für (Sesqui-)Terpene. In dieser Arbeit wurde mit Hilfe einer induzierbar gesteuerten Expression einer Terpensynthase in Form einer α-Humulen-Synthase, einer FPP-Synthase und eines prokaryontischen Mevalonatweges, erstmals die de novo Synthese eines Terpens aus Methanol am Beispiel des α-Humulens etabliert. Durch optimierte Expressionen der Terpensynthase, FPPS und einzelner MVA-Gene mit Hilfe angepasster Translationsinitiationsraten der jeweiligen ribosomalen Bindestellen und der Verwendung eines in der nativen Carotinoidbiosynthese inhibierten M. extorquens-Stammes wurden finale Produkttiter von bis zu 1.65 g/l α-Humulen in Fed-Batch-Fermentationen erreicht.
Diese kumulative Dissertation beinhaltet außerdem einen Reviewartikel, in dem der verwendete Mikroorganismus M. extorquens in mikrobiologischer, genetischer, biochemischer und auch biotechnologischer Hinsicht ausführlich beschrieben wird. Zudem gibt ein Buchkapitel eine Übersicht über die Verwendung von Methanol in der Biotechnologie.
Metabolic engineering can serve to convert microorganisms to
microbial cell factories with the goal of producing various chemicals. Commonly used strategies to modify metabolic pathways include deletions and overexpression of genes, as well as the introduction of heterologous genes or genes which have been optimized for the host organism or for a reaction of interest. Aside from these classic metabolic engineering strategies, researchers have also implemented pathway compartmentalization strategies, which mimic nature’s strategies of colocalizing enzymes for pathway optimization.
In this thesis, classic metabolic engineering strategies were combined with pathway compartmentalization strategies. For pathway compartmentalization, mitochondria and peroxisomes were harnessed, and additionally a new strategy to create artificial subcellular organelles was evaluated. In the latter approach, the so-called Zera peptide was fused to the enzymes of interest. Zera consists of the first 113 amino acids of the plant storage protein γ-Zein (Zea mays). Natively, plant storage proteins accumulate in endoplasmic reticulum (ER)-derived vesicles in plant seeds and serve as an amino acid source for the germinating plant. In this thesis, it was shown that Zera also induces the formation of artificial, ER-derived vesicles in Saccharomyces cerevisiae. Furthermore, it was shown that Zera fusion enzymes remained active, albeit with sometimes reduced activity.
In line with the goal of compartmentalizing pathways in these artificial, Zera-induced vesicles, a new tool was developed to determine the pH in the ER of S. cerevisiae and in the ER-derived vesicles. pHluorin, a pH-sensitive green fluorescent protein (GFP) variant, is commonly used to analyze the cytosolic pH or the pH of subcellular organelles. In this thesis, it was shown that pHluorin has very low fluorescence intensity and pH sensitivity in the ER and in Zera-induced ER-derived vesicles. Therefore, a superfolder variant of pHluorin was developed which allows reliable pH measurements in these compartments and can be used to analyze whether the organellar or vesicular pH suits a pathway of interest....
The oleochemical and petrochemical industries provide diverse chemicals used in personal care products, food and pharmaceutical industries or as fuels, oils, polymers and others. However, fossil resources are dwindling and concerns about these conventional production methods have risen due to their strong negative impact on the environment and contribution to climate change.
Therefore, alternative, sustainable and environmentally friendly production methods for oleochemical compounds such as fatty acids, fatty alcohols, hydroxy fatty acids and dicarboxylic acids are desired. The biotechnological production by engineered microorganism could fulfill these requirements. The concept of metabolic engineering, which is the modification of metabolic pathways of a host organism for increased production of a target compound, is a widely used strategy in biotechnology to generate cell factories or chassis strains for robust, efficient and high production. In this work, the versatile model and industrial yeast Saccharomyces cerevisiae was manipulated by metabolic engineering strategies for increased production of the medium-chain fatty acid octanoic acid and de novo production the derived 8-hydroxyoctanoic acid.
Octanoic acid production was enabled by the fatty acid biosynthesis pathway by use of a mutated fatty acid synthase (FASRK) in a wild type FAS deficient strain. The yeast fatty acid synthase (FAS) consists of two polypeptides, α and β, which assemble to a α6β6 complex in a co-translational manner by interaction of the subunits. Because this step might be subject to cellular regulation, the α- and β- subunits of fatty acid synthase were fused to form a single-chain construct (fusFASRK), which displayed superior octanoic acid production compared with split FASRK. Thus, FASRK expression was identified as a limiting step of octanoic acid production. But the strains that produce octanoic acid have a severe growth defect that is undesirable for biotechnological applications and could lead to lower production titers. One reason is the strong
inhibitory effect of octanoic acid. Another possibility is that the mutant FAS no longer produces enough essential long-chain fatty acids. To compensate for this, the mutated split and fused FAS variants were co-expressed individually in a strain harboring genomic wild type FAS alleles. In
addition, mutant and wild type variants of fused and split FAS were co-expressed together in a FAS deficient strain. However, both cases resulted in decreased octanoic acid titers potentially by physical and/or metabolic crosstalk of the FAS variants.
The fatty acid biosynthesis relies on cytosolic acetyl-CoA for initiation and derived malonyl-CoA for elongation and requires NADPH for reductive power. To increase production of octanoic acid, engineering strategies for increased acetyl-CoA and NADHP supply were investigated. First, the flux through the native cytosolic acetyl-CoA and NADPH providing pyruvate dehydrogenase bypass was enhanced by overexpression of the target genes ADH2, ALD6 and ACSL461P from Salmonella enterica in combination or individually. Next, the acety-CoA forming heterologous phosphoketolase/phosphotransacetylase pathway was expressed and NADPH formation was increased by redirecting the flux of glucose-6-phosphate into the NADPH producing oxidative branch of the pentose phosphate pathway. In particular, the flux through glycolysis and pyruvate dehydrogenase bypass was reduced by downregulating the expression of the phosphoglucose isomerase PGI1 and deleting the acetaldehyde dehydrogenase ALD6. Glucose-6-phosphate was guided into the pentose phosphate pathway by overexpressing the glucose-6-phosphate dehydrogenase ZWF1. The first approach did not influence octanoic acid production but the latter increased yields in the glucose consumption phase by 65 %. However,
combining the superior fusFASRK with acetyl-CoA and NADPH supply engineering strategies did not result in additive production effects, indicating that other limitations hinder high octanoic acid accumulation. Limitations could be caused in particular by the strong inhibitory effects of octanoic acid or by intrinsic limitations of the FASRK mutant. To enlarge the octanoic acid production platform towards other derived valuable oleochemical compounds the de novo production of 8-hydroxyoctanoic acid was targeted. Since short- and medium-chain fatty acids have a strong inhibitory effect on Saccharomyces cerevisiae, the inhibitory effect of hydroxy fatty acid and dicarboxylic with eight or ten carbon atoms were compared and revealed only little or no growth impairment. Subsequently, the formation of 8-hydroxyoctanoic acid was targeted by a terminal hydroxylation of externally supplied octanoic acid in a bioconversion. For that, three heterologous genes, encoding for cytochromes P450 enzymes and their cognate cytochrome P450 reductases were expressed and 8-hydroxyoctanoic acid production was compared. In addition, the use of different carbon sources was compared.
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Investigating the influence of truffle´s microbiome and genotype on the aroma of truffle fungi
(2019)
Truffles (Tuber spp.) are belowground forming fungi that develop in association with roots of various host trees and shrubs. Their fruiting bodies are renowned for their enticing aromas which vary considerably, even within truffles of the same species. This aroma variability might be attributed to factors such as geographical origin, degree of fruiting body maturation, truffle genotype and microbiome (microbial communities that colonise truffle fruiting bodies) which often co-vary. Although the influence of specific factors is highlighted by several studies, discerning the contribution of each factor remains a challenge since it requires an appropriate experimental design. The primary purpose of this thesis was to gain insight into the influence of truffle’s genotype and microbiome on truffle aroma.
This doctoral thesis is comprised of four chapters. Chapter1 (Vahdatzadeh et al., 2018) aimed to exclusively elucidate the influence of truffle genotype on truffle aroma by investigating the aroma of nine mycelial strains of the white truffle Tuber borchii. We also assessed whether strain selection could be employed to improve the human- perceived truffle aroma. Quantitative differences in aroma profiles among strains could be observed upon feeding of amino acids. Considerable aroma variabilities among strains were attributed to important truffle volatiles, many of which might be derived from amino acid catabolism through the Ehrlich pathway. 13 C-labelling experiments confirmed the existence of the Ehrlich pathway in truffles for leucine, isoleucine, methionine, and phenylalanine. Sensory analyses further demonstrated that the human nose can differentiate among strains. Our results illustrated the influence of truffle genotype on truffle aroma and showed how strain selection could be used to improve the human-perceived truffle aroma.
In chapter 2 the existing knowledge on the composition of bacterial community of four truffle species was compiled using meta-analysis approach (Vahdatzadeh et al., 2015). We highlighted the endemic microbiome of truffle as well as similarities and differences in the composition of microbial community within species at various phases of their life cycle. Furthermore, the potential contribution of truffle microbiome in the formation of truffle odorants was studied. Our findings showed that truffle fruiting bodies harbour complex microbial community composed of bacteria, yeasts, filamentous fungi, and viruses with bacteria being the dominant group. Regardless of truffle species, the composition of endemic microbiome of fruiting bodies appeared very similar and was dominated by α-Proteobacteria class. However, striking differences were observed in the bacterial community composition at various stages of the life cycle of truffle.Our analyses further suggested that odorants common to many truffle species might be produced by both truffle fungi and microbes, whereas specific truffle odorants might be derived from microbes only. Nevertheless, disentangling the origin of truffle odorants is very challenging, since acquiring microbe-free fruiting bodies are currently not possible.
Chapter 3 (Splivallo et al., 2019) further characterises truffle-associated bacterial communities of fruiting bodies of the black truffle T. aestivum from two different orchards. It aimed at defining the native microbiome in this truffle species, evaluating the variability of their microbiome across orchards, and assessing factors that shape assemblages of the bacterial communities. The dominant bacterial communities in T. aestivum revealed to be similar in both orchards: although a large portion of fruiting bodies were dominated by the α-Proteobacteria class (Bradyrhizobium genus) similar to other so far-assessed truffle species, in few cases β-Proteobacteria (Polaromonas genus), or Sphingobacteria (Pedobacter genus) were found to be predominant classes. Moreover, factors shaping bacterial communities influenced the two orchards differently, with spatial location within the orchard being the main driver in Swiss orchard and collection season in the French one. Surprisingly, in contrast to other fungi, truffle genotype and the degree of fruiting body maturity seemed not to contribute in shaping the assembly of truffle microbiome. Altogether, our data highlighted the existence of heterogeneous bacterial communities in T. aestivum fruiting bodies which are dominated by either of the three bacterial classes and mainly by the α-Proteobacteria class, irrespective of geographical origin. They further illustrated that determinants driving the assembly of various bacterial communities within truffle fruiting bodies are site-specific. Truffles are highly perishable delicacies with a short shelf life (1-2 weeks), and their aroma changes profoundly upon storage. Since truffle aroma might be at least partially produced by the truffle microbiome, chapter 4 (Vahdatzadeh et al., 2019) focuses on assessing the influence of the truffle microbiome on aroma deterioration of T.aestivum during post harvest storage. Specifically, volatile profile and bacterial communities of fruiting bodies collected from four different regions (three in France and one in Switzerland) were studied over nine days of storage. Our findings demonstrated the gradual replacement of dominant bacterial classes in fresh truffles (α-Proteobacteria, β-Proteobacteria, and Sphingobacteria) by food spoilage bacteria (members of γ- Proteobacteria and Bacilli classes), regardless of the initial diversity of the bacterial classes. This shift in the bacterial community also correlated with changes in volatile profiles, and markers for truffle freshness and spoilage could be identified. Ultimately, network analysis illustrated possible links among those volatile markers and specific bacterial classes. Our data showed that storage deeply influenced the composition of bacterial community as well as aroma of truffle fruiting bodies. They also illustrated the correlation between the shift in truffle microbiome, from commensal to detrimental, and the change of aroma profile, possibly leading to the loss of fresh truffle aroma. Overall, the work undertaken in this thesis demonstrated that truffle genotype and microbiome had a stronger influence on truffle aroma than previously believed.
In der vorliegenden Arbeit wurde das Zinkfinger-µ-Protein HVO_2753 des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich seiner biologischen Funktion und seiner Struktur charakterisiert.
Zinkfinger-µ-Proteine wurden bisher nur sehr wenig untersucht, während ihnen jedoch in den letzten Jahren steigendes Interesse entgegengebracht wird. Im Genom von H. volcanii sind mehr als 40 solcher Zinkfinger-µ-Proteine codiert. Von diesen besitzt mit HVO_2753 lediglich eines nicht nur zwei, sondern vier der charakteristischen C(P)XCG-Muster, was für die Anwesenheit von zwei Zinkfinger-Motiven spricht. Während Homologe von HVO_2753 in vielen Euryachaeota vorkommen und manche davon als Zink-Ribbon RNA-Bindeproteine annotiert sind, ist über ihre Funktion jedoch nichts bekannt. Zur Charakterisierung des Proteins wurde zunächst eine in frame-Deletionsmutante seines Gens erstellt und diese einer phänotypischen Charakterisierung unterzogen. Die Mutante wies, verglichen mit dem Wildtyp, keine Unterschiede im Wachstum in Komplexmedium oder in synthetischem Medium mit Glukose als Kohlenstoffquelle auf. Ein schweres Defizit konnte jedoch sowohl bei der Adhäsion und Biofilmbildung als auch der Schwärmfähigkeit der Deletionsmutante festgestellt werden. Während die Schwärmfähigkeit des Wildtyps durch plasmidische Expression von HVO_2753 in der Deletionsmutante teilweise wiederhergestellt werden konnte, war eine solche Komplementation bei der Biofilmbildung nicht möglich. Die Analyse der Relevanz ausgewählter Aminosäuren, wie beispielsweise das jeweils erste Cystein in jedem C(P)XCG-Muster zeigte, dass die Substitution jeder einzelnen der getesteten Aminosäuren einen Funktionsverlust des Proteins nach sich zieht. Die Untersuchung des HVO_2753-Transkripts mittels Northern Blot-Analyse bestätigte erste Hinweise aus vorangegangenen dRNA- und RNA-Seq-Studien, die eine Co-Transkription von HVO_2753 mit dem Nachbargen HVO_2752, das für den Translations-Elongationsfaktor aEF-1 beta codiert, aufzeigten. Daraufhin erfolgte eine Untersuchung des Ribosomenprofils, bei der keine Unterschiede zwischen der Deletionsmutante und der Überexpressionsmutante von HVO_2753 festgestellt werden konnten.
Eine Variante von HVO_2753 mit N-terminalem Hexahistidin-Tag wurde homolog überproduziert und aufgereinigt. Die Überproduktion und Aufreinigung wurden im Zuge dieser Arbeit weiter, speziell für HVO_2753, optimiert. So konnten große Mengen von HVO_2753n überproduziert und bei nativen Salzbedingungen mittels Nickel-Affinitätschromatographie und anschließender Größenausschlusschromatographie aufgereinigt werden. Eine massenspektrometrische Analyse bestätigte sowohl das Molekulargewicht als auch die Abwesenheit posttranslationaler Modifikationen. Die Untersuchung der Menge an gebundenem Zink im Protein erfolgte beim Zink-Assay mit Hilfe des hochsensitiven und hochspezifischen Fluorophors ZnAF-2F. Dabei konnte gezeigt werden, dass überraschenderweise lediglich ein Zink-Ion in HVO_2753 gebunden vorliegt.
Zur weiteren Funktionsaufklärung erfolgte eine Interaktionspartnersuche. Hierfür wurde HVO_2753 überproduziert, ein in vivo-Crosslink und anschließend eine native Aufreinung durchgeführt. Die massenspektrometrische Analyse ausgewählter Fraktionen nach der Größenausschlusschromatographie ergaben eine Vielzahl an möglichen Bindepartnern. Besonders häufig wurde hier die GalE family Epimerase/Dehydratase gefunden. Eine weitere Methode zur Suche nach Interaktionspartnern richtete sich auf RNAs. Hier konnten mittels eines eigens entwickelten Protokolls neben RNAs des Translationsapparates auch mehrfach die tRNA(Glu) gefunden werden.
Zusätzlich sollte die Transkriptomanalyse mittels RNA-Sequenzierung Unterschiede zwischen Wildtyp, Deletionsmutante und Komplementationsmutante aufzeigen. Hier wurden weitreichende Auswirkungen der Deletion von HVO_2753 gefunden. Zahlreiche Gene in mehreren Operons zur Motilität und Chemotaxis lagen in der Deletionsmutante stark herunterreguliert vor, während die Gene einiger Metallionen-Transporter und der Eisen(III)-Siderophor-Biosynthese hochreguliert vorlagen. In der Komplementationsmutante konnten nur von den letzteren Genen Transkriptlevel vergleichbar mit denen des Wildtyps wiedergefunden werden.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das kleine Zinkfinger-Protein HVO_2753 eine essenzielle Rolle in der positiven Regulation der Motilität, Chemotaxis und der Adhäsion bzw. Biofilmbildung spielt. Gleichzeitig übt HVO_2753 eine negative Regulation auf den Metallionen-Transport und die Biosynthese des Eisen(III)-Siderophors aus.
Die Hefe Saccharomyces cerevisiae hat sich wie kaum ein anderer Organismus auf die Verwertung von Glukose spezialisiert. Die Aufnahme dieser Hexose stellt dabei den ersten Schritt der Metabolisierung dar. Saccharomyces cerevisiae besitzt hierfür eine große Zahl an Hexosetransportern und eignet sich daher gut zur Untersuchung der Wirkungsweise und Regulation dieser Transporter, sowie deren Translokation zur Plasmamembran.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Funktion des in der Membran des Endoplasmatischen Retikulums lokalisierten Proteins Gsf2 der Hefe Saccharomyces cerevisiae näher zu charakterisieren. Gsf2 ist an der Translokation der Hexosetransporter Hxt1, Hxt3 und Gal2 zur Plasmamembran beteiligt. Die Deletion von GSF2 führt zur Akkumulation dieser Transporter in der Membran des Endoplasmatischen Retikulums. Interaktionen von Gsf2 mit ribosomalen Proteinen, Komponenten der Translokationsmaschinerie und COPII-Hüllproteinen deuten auf eine multifunktionelle Hexosetransporterspezifische Funktion des Verpackungschaperons Gsf2 hin.
Mit Hilfe des „Synthetic Genetic Arrays“ wurde nach synthetisch letalen und synthetisch kranken Interaktionspartnern von GSF2 gesucht, die zur Aufklärung der Funktion von GSF2 beitragen beziehungsweise bisherige Forschungsergebnisse verifizieren sollten. Unter den nicht-essentiellen Genen der Hefe konnte allerdings kein synthetisch letaler oder synthetisch kranker Interaktionspartner von GSF2 ermittelt werden.
Im zweiten Projekt sollten Multicopy-Suppressoren aus einer Genbank identifiziert werden, die in der Lage sind die Deletion von GSF2 und damit verbundene Retention von Hxt1 in der Membran des Endoplasmatischen Retikulums zu komplementieren. Mit Hilfe dieses Screenings konnten einzig GSF2-kodierende Plasmide identifiziert werden.
Die Ergebnisse der beiden genetischen Screening-Verfahren belegen, dass Gsf2 eine herausragende Rolle innerhalb des Translokationsprozesses von Hxt1 einnimmt.
Struktur-Funktionsbeziehungen des Verpackungschaperons Gsf2 in der Hefe Saccharomyces cerevisiae
(2007)
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion des in der Membran des Endoplasmatischen Retikulum lokalisierten Proteins Gsf2 der Hefe Saccharomyces cerevisiae näher charakterisiert. Gsf2 ist ein 46 kDa großes ER-Transmembranprotein mit zwei membrandurchspannenden Domänen, wobei C- und N-Terminus cytosolisch orientiert sind. Zudem besitzt Gsf2 C-terminal ein klassisches Dilysin-Motiv. Eine Deletion des GSF2-Gens resultiert in einer Retention der Hexosetransporter Hxt1, Hxt3 und Gal2 im ER, so dass es sich bei Gsf2 möglicherweise um ein Hexosetransporterspezifisches Verpackungschaperon handelt.
Um Sequenzbereiche zu determinieren, die für die Funktion des Verpackungschaperons bezüglich der Reifung und des ER-Transportes von Hxt1 notwendig sind, wurden verkürzte Versionen des Gsf2-Proteins hergestellt. Die funktionelle Analyse zahlreicher verkürzter Versionen ergab die Lokalisation eines essentiellen Sequenzbereiches in den hinteren 40 Aminosäuren der carboxyterminalen Domäne des Gsf2-Proteins.
Vorläufige genetische und biochemische Untersuchungen hatten ergeben, dass Gsf2 mit Komponenten der Ribosomen, des Sec61-Translokationsapparates und mit Proteinen der COPII-Vesikel interagiert.
Mit Hilfe des Split-Ubiquitin Systems konnte in der vorliegenden Arbeit eine direkte Interaktion zwischen Gsf2 und dem Sec61-Translokations-Komplex und den Komponenten des sekretorischen Weges Sec12 und Sar1 bestimmt werden. Sec12 ist ein Sar1-spezifischer Guanin-Nucleotid-Austausch-Faktor, der für die Aktivierung von Sar1 benötigt wird. Sar1 ist ein kleines G-Protein, welches für die Initiation der COPII-Vesikelbildung benötigt wird. Sar1 ist aber auch für die Erkennung di-basische ER-Exportsignale spezifischer Cargo-Proteine zuständig. Diese Interaktion weist daraufhin, dass Gsf2 über solch ein Motiv verfügt und somit die Verpackung von Hxt1 in COPII-Vesikel gewährleisten könnte.
Postuliert wird ein Modell, wonach Gsf2 bereits eine wichtige Funktion bei der Translokation des Hexosetransporter Hxt1 in die ER-Membran übernimmt. Dabei interagiert Gsf2 mit dem Sec61-Translokon, um den Reifungsprozess der naszierenden Polypeptidkette des Metabolittransporters zu ermöglichen. Anschließend rekrutiert Gsf2 das gefaltete Proteine an Exit-Sites des Endoplasmatischen Retikulums. Es interagiert dort mit Sec12 und Sar1, so dass Gsf2 zusammen mit dem Hexosetransporter in die COPII-Vesikel verpackt und zum Golgi-Apparat transportiert wird. Aufgrund des ERRetentionssignals wird Gsf2 über COPI-Vesikel recycelt.
Dieses Modell impliziert, dass Hxt1 über kein ER-Exportsignal verfügt und daher Gsf2 als guide eine ausschlaggebende Funktion bei dessen Translokation übernimmt.
Terpenes are one of the largest and most diverse class of natural products, produced by organisms from all kingdoms of life and with important applications in the pharma, flavor and fragrance industries. Well-known examples of terpenes are the pharmaceuticals artemisinin and taxol, the flavor and fragrance compounds menthol, santalol and sclareol, the structural material polyisoprene and the biofuel precursor farnesene. The methods and results presented in this work offer a variety of ways to modify terpene precursors for the creation of new terpene molecules. The application of these methodologies in well-established production systems could lead to the production of new substances, with applications in the industrial fields of pharmaceuticals, flavors and fragrances, and biofuels.
Polyploidie in Prokaryoten
(2018)
Diese Arbeit teilt sich in drei Teile auf, die sich mit der Regulation der Polyploidie sowie mit der Genkonversion als evolutionären Vorteil von Polyploidie in Haloferax volcanii beschäftigen.
Im ersten Teil dieser Arbeit, wurde der Einfluss der DNA-Replikationsinitiatorproteine Orc1/Cdc6 auf das Ploidielevel untersucht. Hierbei konnte anhand von Deletionsmutanten zunächst gezeigt werden, dass lediglich drei der 16 Orc1/Cdc6-Proteine in H. volcanii essentiell sind. Bestimmung des Ploidielevels mittels qPCR-Analyse ergab, dass jedes der 12 untersuchten Orc1/Cdc6-Proteine das Ploidielevel mindestens eines Replikons beeinflusst und dementsprechend sowohl die mit einem Replikationsursprung assoziierten als auch die „verwaisten“ Orc1/Cdc6-Proteine eine Funktion haben. Die mit einem Replikationsursprung assoziierten Orc1/Cdc6-Proteine hatten hierbei keinen größeren Einfluss auf das Ploidielevel als die „verwaisten“. Zusätzlich konnte durch Wachstumsanalysen in Mikrotiterplatten gezeigt werden, dass die meisten Deletionsmutanten unter allen getesteten Bedingungen ein mit dem Wildtyp vergleichbares oder besseres Wachstum zeigen. Eine Deletionsmutante eines Orc1/Cdc6-Proteins hingegen zeigte nur verbessertes Wachstum bei Glukose als Kohlenstoffquelle, was ein Hinweis auf die Verwendung verschiedener Orc1/Cdc6-Proteine unter verschiedenen Bedingungen sein könnte. Zusätzlich wurden zwei mit dem Replikationsursprung assoziierte Orc1/Cdc6-Proteine überexprimiert und via ihres N-terminalen His-Tag im Western-Blot nachgewiesen, sodass diese nun für Co-Affinitätsaufreinigungen zur weiteren Charakterisierung des komplexen Zusammenspiels der Orc1/Cdc6-Proteine zur Verfügung stehen.
Im Rahme des zweiten Teils der Arbeit wurde der Einfluss der in der 5‘-Region der der Replikationsursprünge ori1 und ori2 kodierten Proteine auf Wachstum und die Kopienzahl des Hauptchromosoms bestimmt. Zunächst wurde die Expression der drei in Haloarchaea hoch-konservierten oap-Gene upstream von ori1 mittels Nothern-Blot untersucht und es konnte gezeigt werden, dass das oap-Operon tatsächlich als Operon abgelesen wird. Um alle Gene in den 5‘-Regionen von ori1 und ori2 genauer zu charakterisieren, wurden induzierbare Überexpressionsmutanten im Wildtyp-Hintergrund angefertigt. Es konnte mittels Wachstumsversuchen in Mikrotiterplatten gezeigt werden, dass bei Induktion von Beginn an die Überexpression der Hef-Helikase und des oapB-Proteins zu einem starken Wachstumsdefekt führen, die von oapC und HVO_1724 zu einem moderaten Wachstumsdefekt, wohingegen für die Überexpressionsmutante von oapA vergleichbares Wachstum zum Wildtyp und für die Überexpression der Rad25d-Helikase verbessertes Wachstum beobachtet werden konnte. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass sowohl die Deletion als auch die Überexpression der Helikasen keinen Einfluss auf das Ploidielevel hat; die Deletion von oapC führt jedoch zu einer Reduktion der Genomkopienzahl in exponentieller und stationärer Phase, was ein erster Hinweis darauf ist, dass das oap-Operon eine Rolle bei der Regulation des Ploidielevels spielen könnte.
Im dritten Teil der Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um Genkonversion farblich sichtbar zu machen. Hierbei wurde sich H. volcaniis Carotinoidbiosynthese zu Nutze gemacht. Es wurden zwei verschiedene, auxotrophe Elternstämme mittels Protoplastenfusion verschmolzen, um eine heterozygote Tochterzelle zu erzeugen. Ein Genkonversionsereignis wurde durch einen roten Keil angezeigt, der aus einer weißen Kolonie wuchs und durch die erfolgreiche Reparatur des Carotinoidbiosynthesegens entstand. Es wurden insgesamt 8525 Klone ausgestrichen und 0,14 % der Kolonien zeigten eine entsprechende rote Färbung. Das Proof-of-Principle dieser Methode ist in damit in dieser Arbeit gelungen. Um die Genkonversion in den weißen Kolonien auf genetischer Ebene genauer zu untersuchen, wurde PCR verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass in den Zellen aller 135 untersuchten Kolonien Genkonversion stattgefunden hatte und zwar so effizient, dass nur in seltenen Fällen Heterozygotie vorlag. Unter Selektionsdruck stehende Loci hatten in beiden untersuchten Fällen eine starke Präferenz in Richtung Homozygotie und Erhalt der Prototrophie. Für nicht unter Selektionsdruck stehende Loci konnte gezeigt werden, dass die Hälfte der untersuchten Kolonien dem Elternstamm 1 glich, während die andere Hälfte dem Elternstamm 2 glich. Auch hier waren die Zellen nur in seltenen Fällen homozygot.
Fossile Rohstoffe dienen in unserer heutigen Gesellschaft als Energiequelle und als Rohstofflieferant für Grund-, Feinchemikalien und Pharmazeutika. Sie tragen jedoch zum Klimawandel und Umweltverschmutzung bei. Lignocellulosische Biomasse ist eine erneuerbare und nachhaltige Alternative, die durch biotechnologische Prozesse erschlossen werden kann. Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ist ein sehr gut untersuchter Modellorganismus, für den es zahlreiche genetische Werkzeuge und Analysemethoden gibt. Zudem wird S. cerevisiae häufig in biotechnologischen Prozessen eingesetzt, da diese Hefe robust gegenüber industriellen Bedingungen wie niedrigen pH-Werten, toxischen Chemikalien, osmotischem und mechanischem Stress ist. Die Pentose D-Xylose ist ein wesentlicher Bestandteil von lignocellulosischer Biomasse, die aber nicht natürlicherweise von der Bäckerhefe verwerten werden kann. Für eine kommerzielle Herstellung von Produkten aus lignocellulosischer Biomasse muss S. cerevisiae D-Xylose effektiv verwerten. Für die Bäckerhefe konnten heterologe Stoffwechselwege etabliert werden, damit diese D-Xylose verwerten kann. Für eine effiziente Xyloseverwertung bleiben dennoch zahlreiche Herausforderungen bestehen. Unter anderem nehmen die Zellen D-Xylose über ihre endogenen Hexosetransporter nur langsam auf. Die heterologe Xylose-Isomerase (XI) besitzt in S. cerevisiae eine geringe Aktivität für die Isomerisierung von D-Xylose. Unspezifische Aldosereduktasen konkurrieren mit der Xylose-Isomerase um das gleiche Substrat und produzieren Xylitol, ein starker Inhibitor der Xylose-Isomerase. Eine Möglichkeit die Umsatzrate von Enzymen zu steigern und Substrate vor Nebenreaktionen zu schützen, ist die Anwendung von Substrate Channeling Strategien. Bei Substrate Channeling befinden sich die beteiligten Enzyme in einem Komplex, wodurch die Substrate lokal angereichert werden und von einem aktiven Zentrum zum nächsten weitergeleitet werden, ohne Diffusion in den restlichen Reaktionsraum. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob ein Komplex zwischen einem membranständigen Transporter und einem löslichen Enzym konstruiert werden kann, um durch Substrate Channeling eine verbesserte Substrat-Verwertung zu erreichen. Die Xylose-Isomerase aus C. phytofermentans und die endogene Hexose-Permease Gal2 sollten in dieser Arbeit als Modellproteine in S. cerevisiae-Zellen mit Hilfe von Protein-Protein-Interaktionsmodulen (PPIM) in räumliche Nähe zueinander gebracht werden.
Die Expression verschiedener PPIM konnte in S. cerevisiae mittels Western Blot nachgewiesen werden. Auch Fusionsproteine aus unterschiedlichen PPIM wurden in dieser Hefe exprimiert. Die PPIM binden komplementäre PPIM oder kurze Peptidliganden, welche an die Xylose-Isomerase und an den Gal2-Transporter fusioniert wurden. Die Funktionalität beider Proteine wurde mittels in vivo und in vitro Tests untersucht. Die Xylose-Isomerase mit N-terminalen Liganden des WH1-Protein-Protein-Interaktionsmoduls (WH1L-XI) und der Gal2-Transporter mit N-terminalen SYNZIP2-Protein-Protein-Interaktionsmodul (SZ2-Gal2) erwiesen sich als geeignete Kandidaten für weitere Untersuchungen. Mittels indirekter Immunfluoreszenz konnte die Ko-Lokalisierung von SZ2-Gal2 und WH1L-XI, die einander über ein Scaffold-Protein binden, nachgewiesen werden.
Transformanten, in denen ein Komplex aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gebildet wurde, zeigten bessere Fermentationseigenschaften gegenüber der Scaffold-freien Kontrolle und dem Wildtyp: Sie verwerteten Xylose schneller, bildeten weniger vom unerwünschten Nebenprodukt Xylitol, produzierten mehr Ethanol und wiesen eine höhere Ethanolausbeute auf. Der beobachtete Substrate Channeling Effekt kompensierte die geringere Enzymaktivität der WH1L-XI im Vergleich zum Wildtyp-Protein. Die Wirksamkeit des Substrate Channeling wurde verringert, wenn die Bildung des Komplexes aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gestört wurde, indem ein getaggtes GFP mit dem Scaffold-Protein um die Bindungsstelle an Gal2 konkurrierte. Dies zeigt, dass die positive Wirkung auf die Komplex-Bildung zwischen XI und Gal2 zurück zu führen ist. Die Fermentationseigenschaften konnten gesteigert werden, indem der zuvor zwischen SZ2-Zipper und Gal2-Transporter verwendete Linker, der aus zehn Aminosäuren von Glycin, Arginin und Prolin (GRP10) bestand, durch einen aus Glycin und Alanin (GA10) ersetzt wurde. Die verbesserten Fermentationseigenschaften beruhten auf einem Substrate Channeling Effekt und einer gesteigerten Aufnahmerate des SZ2-GA10-Gal2-Transporters. Ein Vergleich der Strukturvorhersagen von SZ2-GRP10-Gal2 und SZ2-GA10-Gal2 zeigte, dass der GRP10-Linker einen unstrukturierten, flexiblen Linker ausbildet, während der GA10-Linker eine starre α-Helix ausbildet. Die Struktur und der Transportprozess von Gal2 sind nicht aufgeklärt. Bei verwandten Transportern geht man davon aus, dass Substrate durch Konformationsänderungen ins Innere der Zelle transportiert werden, indem die beiden Domänen gegeneinander klappen. Die α-Helix könnte die Geschwindigkeit der Konformationsänderungen begünstigen.
Durch Kontrollexperimente konnte ausgeschlossen werden, dass die gesteigerten Fermentationseigenschaften eine Folge der Stabilisierung der XI- und Gal2-Fusionsproteine durch das Anfügen des Liganden oder durch Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein waren. Substrate Channeling zwischen Gal2 und XI entsteht durch die Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein, wodurch sich Gal2 und XI in räumlicher Nähe zueinander befinden. Dieser Effekt beruht möglicherweise zusätzlich aufgrund einer hohen örtlichen Ansammlung dieser Proteine, da die tetramere XI weitere Scaffold-Proteine binden könnte, welche weitere Gal2-Transporter binden könnte. Darüber hinaus sammeln sich Transporter an bestimmten Orten der Membran an und Transporter mit ähnlicher oder gleicher Transmembransequenz tendieren dazu zu ko-lokalisieren. Hierdurch könnten Gal2-XI-Agglomerate entstehen und Xylose wird mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer der vielen Xylose-Isomerasen umgesetzt.
Die nicht-konventionelle Hefe P. ciferrii produziert große Mengen der tetra-acetylierten Sphingoidbase Phytosphingosin (TAPS). Sphingoidbasen sind essentielle Komponenten des stratum corneums, der multilamellaren Barriere der menschlichen Haut, und daher in der Kosmetik-Industrie von großem Interesse. Im Rahmen dieser Arbeit sollte die biotechnologische Produktion der Sphingoidbasen Phytosphingosin, Sphinganin und Sphingosin auf molekularbiologischer Ebene in P. ciferrii charakterisiert und optimiert werden. Die Hefe P. ciferrii konnte durch Etablierung einer einfachen und hoch-effizienten Transformations-Methode auf genetischer Ebene leicht zugänglich gemacht werden. Durch Inaktivierung des für NHEJ essentiellen PcLIG4 Gens konnte die Effizienz zielgerichteter genomischer Integrationen von transformierten DNA-Konstrukten von 1 % auf 87 % erhöht werden. Die Etablierung des Cre-loxP Systems erlaubte das mehrfache Verwenden eines Selektions-Markers wodurch sukzessiv mehrere genomische Integrationen in einem Stamm ermöglicht wurden. Durch diese Errungenschaften konnte das Ziel „Optimierung der Sphingoidbasen-Produktion der nicht-konventionellen Hefe P. ciferrii“ im Folgenden erfolgreich verfolgt werden. Der initiale Schritt der Sphingoidbasen-Biosynthese ist die von der Serin-Palmitoyl-Transferase katalysierte Kondensation von L-Serin und Palmitoyl-CoA. Durch die Deletion von Genen, die am L-Serin-Katabolismus von P. ciferrii beteiligt sind (PcSHM1, PcSHM2und PcCHA1), konnte die de novo Sphingoidbasen-Biosynthese optimiert werden und führte in einem lig4? Stamm zu einer etwa dreifachen Erhöhung der TAPS-Produktion. Weitere Ansätze den (vermutlich durch L-Serin feed back regulierten) L-Serin-Biosyntheseweg bzw. die in vivo L-Serin-Verfügbarkeit zu optimieren, führten nicht zu einer gesteigerten TAPS-Produktion. Durch weitere Deletion und Überexpression von Genen des Sphingolipid-Stoffwechsels konnte die TAPS-Produktion jedoch um ein Vielfaches verbessert werden. So konnte ein Stamm konstruiert werden, der die Gene PcLCB1, PcLCB2 und PcSYR2 überexprimiert und Deletionen der Gene PcSHM1, PcSHM2, PcCHA1, PcLCB4 und PcORM12 trägt. Dieser Stamm (CSS.L4.O.L2.L1.S2) wies eine mehr als fünffach erhöhte maximale spezifische TAPS-Produktbildungsrate (q Pmax ) auf und produzierte mit 2 g * L rund siebenmal mehr TAPS als der lig4? Ausgangsstamm, weshalb ein Einsatz dieses Stammes für die industrielle TAPS-Produktion denkbar wäre. Ausgehend von einem für die TAPS- (und somit Sphingoidbasen-) Produktion optimierten Stamm sollten Stämme mit optimierter TriASa- oder TriASo-Produktion für industrielle Zwecke generiert werden. Es stellte sich allerding heraus, dass erhöhte Mengen dieser Sphingoidbasen wahrscheinlich wachstumshemmend für P. ciferrii sind, weshalb eine weitere Produktions-Optimierung nicht ohne Weiteres möglich ist. In einem Laborstamm gelang es jedoch, durch Konstruktion und anschließende Transformation eines optimierten integrativen Plasmids (trägt die Gene, die für die Produktion von Sphingosin bzw. TriASo nötig sind) eine TriASo-Produktion von bis zu 30 mg * g (BTM) zu erzielen, wobei gleichzeitig die Bildung des Nebenprodukts TriASa auf weniger als 4 mg * g (BTM)reduziert wurde. Weiterhin konnte durch Deletion von PcSCS7 in einem TriASo-Produktionsstamm die TriASa-Produktion mehr als vierfach reduziert werden. Die Bildung eines weiteren von P. ciferrii gebildeten Nebenproduktes [Tri-Acetyl-Sphingadienin (TriASd)] konnte durch Deletion des PcSLD1 Gens unterbunden werden. Nach Inaktivierung von PcSCH9 konnte eine fast 20 %ige Verbesserung der TriASo-Produktion erreicht werden. Es konnten zwei putative Acetyl-Transferasen identifiziert werden (PcAft2 und PcSli1), die an der Acetylierung von Phytosphingosin (zu TAPS), Sphinganin (zu TriASa) und Sphingosin (zu TriASo) beteiligt sind. Die Aufklärung und Optimierung dieser von PcAtf2 und PcSli1 katalysierten Schritte sind vielversprechende Ansatzpunkte die Sphingoidbasen-Produktion in P. ciferrii weiter zu optimieren.
Das Ziel dieser Dissertation war es, die biologische Relevanz der F1Fo-ATP-Synthase für den Alterungsprozess des Ascomyceten P. anserina aufzuklären sowie die Funktion der Dimerisierungsuntereinheiten PaATPE und PaATPG genauer zu untersuchen. Folgende Ergebnisse wurden dabei erzielt:
1. Der Verlust einer Dimerisierungsuntereinheit führt in P. anserina zum Verlust der Dimerisierungsfähigkeit der F1Fo-ATP-Synthase. Dieses Ereignis resultiert in einer vorzeitigen Anhäufung von Seneszenzmerkmalen, einer starken Verkürzung der Lebensspanne und einem beschleunigten Alterungsprozess. Der Phänotyp der Stämme ∆PaAtpe und ∆PaAtpg lässt sich erfolgreich revertieren. Dadurch konnte bestätigt werden, dass der beobachtete Phänotyp der Deletionsstämme auf den Verlust der Dimerisierungsgene zurückzuführen ist.
2. Die konstitutive Überexpression des PaAtpe-Gens führt zu einer Verlängerung der Lebensspanne, die allerdings nicht abhängig von einer Erhöhung der Dimer-Menge, sondern auf eine Verlängerung der Mitochondriennetzwerke und eine erhöhte Atmung zurückzuführen ist.
3. Obwohl die Lebensspannen der untersuchten PaAtpg_OEx-Stämme voneinander abweichen, ist der auf den Organismus ausgeübte Effekt der PaAtpg-Überexpression positiv. Dabei lässt sich eine Erhöhung der Dimer-Menge auch in diesen Stämmen nicht nachweisen und eine Veränderung der Mitochondrienmorphologie tritt nur in einem der fünf untersuchten Stämme auf, was hier allerdings mit dem größten Effekt auf die Lebensspanne korreliert.
4. Die gleichzeitige Überexpression der Gene PaAtpe und PaAtpg führt interessanterweise zu einer Aufhebung der durch die PaAtpe-Überexpression hervorgerufenen positiven Effekte. Die generierte Doppelmutante weist somit wildtypische Eigenschaften auf. Eine Erhöhung der Dimer-Menge kann trotz Überexpression beider Gene nicht festgestellt werden.
5. Trotz gleicher Funktion in der Dimerbildung der F1Fo-ATP-Synthase ist das Expressionsniveau der Dimerisierungsgene in P. anserina unterschiedlich. Bereits im Wildtyp wird das PaAtpe-Gen weniger transkribiert als das PaAtpg-Gen. Letzteres wird durch die PaAtpe-Überexpression sowohl in den PaAtpe_OEx-Mutanten als auch in der Doppelmutante herunterreguliert. Auch im Wildtyp kommt es zu einer altersabhängigen Herunterregulierung des PaAtpg-Gens.
6. Im Wildtyp nimmt die Dimer-Menge im Alter ab und es kommt zu einer altersbedingten Änderung der Superkomplexe von S1 zu S0. Dies sind Hinweise auf eine altersabhängige Remodellierung der Cristae-Membran, die möglicherweise zum Seneszenzphänotyp von P. anserina beiträgt. Somit ist die Aufrechterhaltung des Dimers von großer Bedeutung für die Gewährleistung mitochondrialer Funktionen des Organismus.
Die F1Fo-ATP-Synthase spielt in ihrer dimeren Form eine bedeutende Rolle in der Aufrechterhaltung der Mitochondrienfunktion und gewährleistet den Ablauf von lebenswichtigen mitochondrialen Prozessen, die für die Erhaltung der zellulären Homöostase von essentieller Bedeutung sind.
The baker’s yeast Saccharomyces cerevisiae is a valuable and increasingly important microorganism for industrial applications (Hong and Nielsen, 2012). Its robustness concerning process conditions like low pH, osmotic and mechanical stress as well as toxic compounds is an advantage. Moreover, S. cerevisiae is ‘generally regarded as safe’ (GRAS). The model organism has been studied intensively. The collected data, including genomic, proteomic and metabolic information, can be used to genetically modify and improve its metabolism. Fatty acids and fatty acid derivatives have wide applications as biofuels, biomaterials, and other biochemicals. Several studies have been dealing with the overproduction of fatty acids and derivatives thereof in S. cerevisiae. The fatty acid biosynthesis starting with acetyl-CoA requires two enzymes, the acetyl-CoA carboxylase (Acc1p) and the fatty acid synthase complex (FAS), to produce acyl-CoA esters with predominantly 16 to 18 carbon atoms chain length (Lynen et al., 1980). For the synthesis of monounsaturated fatty acids in S. cerevisiae the ER bound acyl-CoA desaturase, Ole1p is essential (Tamura et al., 1976; Certik and Shimizu, 1999).
Using S. cerevisiae, the first section of this work dealt with the heterologous characterization of potential ω1-desaturases. Due to the fact that unsaturated fatty compounds can be modified further by hydrosilylations, hydrovinylations, oxidations to epoxides, acids, aldehydes, ketones or metathesis reactions, the interest in ω1-fatty acids is tremendous (Behr and Gomes, 2010). With the intention to find enzymes in fungi, that have a terminal desaturase activity a search in different genome databases was performed. The sequences of Pex-Desat3 and Obr-TerDes were used as reference sequences. The analysed proteins from Schizophyllum commune (EFI94599.1), Schizosaccharomyces octosporus (EPX72095.1), Wallemia mellicola (EIM20316.1), Wallemia ichthyophaga (EOR00207.1) and Agaricus bisporus var. bisporus (EKV44635.1), however, finally turned out to be Δ9 desaturases. A fungal desaturase with ω1-activity could not be found. The Δ9 desaturase SCD1 from Mus musculus was crystallized by Bai et al. (2015) and the information for specific amino acids responsible for the substrate specificity or enzyme activity were allocated. In combination with sequence and enzyme activity data form ChDes1 from Calanus hyperboreus, Desat2 from Drosophila melanogaster, Pex-Desat3 from Planotortrix excessana and Obr-TerDes from Operophtera brumata single amino acid exchanges were performed in the Δ9 desaturase Ole1p from S. cerevisiae. For all mutants, only fatty acids (C16 - C18) with a double bond between carbon C9 and C10 could be found. This indicates, that all inserted amino acid exchanges do not affect the substrate specificity or the position of the introduced double bond.
In the second section the focus was in the development of a production system for fatty acids in S. cerevisiae with regard to the previously established procedures by metabolic engineering. The combination of cytosolic malate dehydrogenase (MDH3), cytosolic malate enzyme (MAE1) and a citrate- α-ketoglutarate- carrier (YHM2) should improve the availability of acetyl-CoA in the cytosol, which is an important precursor for the fatty acid biosynthesis. If the major pathway (acetyl-CoA carboxylase and fatty acid synthase) was already optimized by high expression levels than no positive effect on increased fatty acid synthesis was detectable. Only non-optimized strains, with the additional overexpression of ATP-citrate lyase and cytosolic malate dehydrogenase, lead to a 41 % (20 mg/g dcw) improvement of fatty acid synthesis. In order to increase the fatty acid content further, the additional overexpression of DGA1 and TGL3 was performed. Hence, the highest amount of fatty acids could be observed with the strain S. cerevisiae WRY1ΔFAA1ΔFAA4 (2.5 g/L ± 0.8 g/L). The additional elimination of acyl-CoA synthetase Fat1p did not improve the yield.
It was recently reported, that chain length control of the fatty acid synthesis of bacterial FAS can be changed by rational engineering (Gajewski et al., 2017a). The knowledge about bacterial FAS was transferred in this work to S. cerevisiae FAS. Mutating up to five amino acids in the FAS complex enabled S. cerevisiae to produce medium chain fatty acids (C6 - C12). Further improvement was done by metabolic pathway engineering (promoter of alcohol dehydrogenase II from S. cerevisiae (pADH2), deletion of acyl-CoA synthetase FAA2) and optimization of fermentation conditions (YEPD-bacto medium buffered with potassium phosphate). The production of medium chain fatty acids resulted in the highest yield of 464 mg/L (C6 to C12 fatty acids). Furthermore, strains were created specifically overproducing hexanoic acid (158 mg/L) and octanoic acid (301 mg/L). The characterization of transferases, which could be responsible for the de-esterification of CoA-bound fatty acids, was analysed in an additional approach. It could be shown, that the genes EHT1, EEB1 and MGL2 have an influence on the MCFA yield in the supernatant. Generally speaking, the data from the single and double deletion strains suggest that Eeb1p has a selective hydrolytic activity for hexanoic acid-CoA ester, while Eht1p shows selective hydrolytic activity for octanoic acid-CoA ester, which is in line with Saerens et al. (2006).
If the biotechnological production of chemicals can further replace or support regular synthetic chemistry, industry will be able to move away from fossil oils towards renewable sources. However, in many cases the much needed adaptation of biotechnological production systems is not yet developed to the necessary level.
For processes where short fatty acids (FA) are needed, as for example in the microbial production of biofuels in the gasoline range, protein engineering had not yet delivered feasible solutions. In this thesis, several approaches to introduce chain length control on type I fatty acid synthases (FAS) were established and made available in a publication and two patents. Therein, engineering was focused on rational design based on available structural information.
First, the type I FAS from C. ammoniagenes was used as a model enzyme to probe modifications on FAS in a low complex in vitro environment in order to gain information about structure-function relationships. At this stage, engineering was conducted in several rounds, first addressing possible ways to alter product distributions by changing substrate affinities through concise mutations in binding channels. Several FAS constructs were generated ranging from first successes, where short FA were produced as side products, to FAS where native chain length programming was overwritten and only short FA were produced.
Furthermore, another engineering target was addressed with the modification of domain-domain interactions on FAS. For its exploitation to direct synthesis, contact surfaces on catalytic domains were changed to interfere with acyl carrier protein binding. This channeling of the kinetic process on the enzyme led to similar successes and short FA became the primary product.
The two approaches have proven to be potent tools to introduce systems of chain length control in FAS. This rational engineering has the big advantage that it is mostly minimally invasive and due to the high conservation of de novo FA synthesis, individual mutations could easily be used in other FAS (and their organisms) as well. Even heterologous expression of modified FAS genes is feasible.
Engineering was not only tested in a defined in vitro environment and but also in S. cerevisiae as an exemplary in vivo system. The results eventually confirmed the in vitro findings and proved that the chosen engineering could be transferred to more complex systems. Even before any optimization for highest output, the titers of short FA from S. cerevisiae fermentation matched previous reports with 118 mg/L.
In sum, this work covers several layers from basic research to preliminary applications. The presented modifications to create short FA producing FAS can be a key step in synthesis pathways and will likely enable a whole range of new succeeding research. It can be seen as a valuable contribution towards establishing novel ways for the production of chemicals from renewable sources.
Das Ziel dieser Dissertation war es die biologische Rolle der Ubiquitinierung und die Bedeutung für Alterungsprozesse im filamentösen Ascomyceten Podospora anserina zu untersuchen. Folgende Ergebnisse wurden dabei erzielt:
1. Ubiquitinierte Proteine wurden nachgewiesen und die Deubiquitinierung von Proteinen konnte durch den Einsatz der Inhibitoren Urea, PR-619 und PIC erfolgreich inhibiert werden, was die Anwesenheit aktiver Deubiquitinasen in P. anserina beweist. Zudem wurden erstmalig ubiquitinierte Proteine in P. anserina unter den zur Aufreinigung
gewählten Bedingungen über die Technik der LC-MS/MS identifiziert.
2. Insgesamt wurden 1745 ubiquitinierte Proteine in P. anserina identifiziert, was ca. 16,4 % des gesamten Proteoms darstellt. Somit wurde erstmalig das Ubiquitinom des Ascomyceten P. anserina charakterisiert, welches Proteine aus allen zellulären Kompartimenten enthält.
3. Die erste im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte umfassende Studie altersabhängiger Veränderungen im Ubiquitinom eines Organismus zeigt eine Herabregulation der Ubiquitinierung im Alter in der gesamten Zelle. Dem gegenüber steigt die Ubiquitinierung an den Mitochondrien leicht an und unterstreicht die Rolle einer mitochondrialen Qualitätskontrolle durch diesen Prozess.
4. Die Untersuchung der am Ubiquitinierungsprozess beteiligten E3-Ligase PaMUS10 zeigt, dass es sich bei Mus10 um ein essentielles Gen in P. anserina handelt, da die Deletion zu starken mitochondrialen Beeinträchtigungen und dem sofortigen Absterben des Organismus direkt nach der Keimung führt.
5. Zur weiteren Untersuchung von PaMus10 wurde erstmalig und vollständig ein Hygromycin-basiertes „Knockdown“-System in P. anserina etabliert, was die detaillierte Untersuchung eines essentiellen Gens in diesem Organismus ermöglichte. Durch dessen Einsatz konnte eine reduzierte Fertilität, eine verkürzte Lebensspanne sowie Veränderungen der mitochondrialen Morphologie und Funktion als direkte Folge einer PaMus10-Herabregulation nachgewiesen werden.
6. PaMUS10 ist vorwiegend cytosolisch lokalisiert wird aber unter oxidativem Stress oder in gealterten Kulturen an die Mitochondrien rekrutiert, was einen vergleichbaren Mechanismus zur menschlichen E3-Ligase PARKIN darstellt.
7. Der Verlust von PaMUS10 verursacht ein Präseneszenzsyndrom und führt zum vorzeitigen Absterben des Organismus, wohingegen die zusätzliche Expression von PaMus10::Gfp offenbar positive Effekte nach sich zieht, da hier eine deutliche Verlängerung der Lebensspanne beobachtet wurde.
8. Der Vergleich der beiden Ubiquitinome von ∆PaMus10/PaMus10 und Wthph1/2 zeigt eine massive Reduzierung der globalen Ubiquitinierung, welche offenbar durch das Fehlen von PaMUS10 ausgelöst wird und damit dessen Funktion als E3-Ligase untermauert.
9. Im Rahmen der hier durchgeführten Substratanalyse wurden insgesamt 131 Proteine identifiziert, von denen ca. 20 % dem Mitochondrium zugeordnet werden können. Aufgrund der diversen biologischen Prozesse und Funktionen dieser Substrate ist PaMUS10 sowohl in die Ubiquitinierung cytosolischer als auch mitochondrialer Proteine involviert und greift womöglich sogar als zentraler Schalter in die gesamte zelluläre Homöostase ein.
Aufgrund der nicht unerheblichen Zahl der identifizierten ubiquitinierten Proteine (Ubiquitinom) und den fatalen Auswirkungen, die der Verlust einer E3-Ligase in diesem Organismus nach sich zieht, lässt sich folgende grundlegende Erkenntnis formulieren:
Die Ubiquitinierung spielt in P. anserina eine bedeutende Rolle zur Aufrechterhaltung zellulärer Prozesse insbesondere der mitochondrialen Homöostase und beeinflusst dadurch positiv die Entwicklung und Alterung in diesem Organismus.
Glioblastoma is the most common and most aggressive type of brain tumor in adults. In contrast to epithelial cancers, glioblastomas do not metastasize. While the major treatment challenge in epithelial cancers is not the primary tumor but metastasis, glioblastoma patients die of the primary tumor.
However, there is a common theme which underlies the malignant properties of progressed epithelial cancers and glioblastoma: invasion from the primary tumor into the surrounding tissue. In the case of epithelial cancers this is the first and necessary step to metastasis, whereas invasion leads inevitably to tumor recurrence after resection in the case of glioblastoma, causing it to be incurable.
A cellular program which has been described in detail to promote the invasive phenotype in epithelial tumors, is the epithelial-mesenchymal-transition (EMT). Differentiated neural cells are not epithelial, thus, strictly speaking, EMT does not occur in glioblastoma. However, the traits acquired in the process of EMT, especially invasiveness and stemness, are highly relevant to glioblastoma. One of the key transcription factors known to induce EMT in epithelial cancers is ZEB1, which has been described only marginally in the central nervous system so far. Here, I investigate the expression and function of ZEB1 in glioblastoma and during human fetal neural development.
ZEB1 mRNA was significantly upregulated in all histological types of glioma, including glioblastoma, when compared to normal brain. There was no correlation between ZEB1 mRNA levels and tumor grade. Immunohistochemical staining of glioma samples demonstrated that ZEB1 was highly expressed in the great majority of tumor cells. In the developing human brain, intense staining for ZEB1 could be observed in the ventricular and subventricular zone, where stem- and progenitor cells reside. ZEB1 positive cells included cells stained with stem- and progenitor markers like PAX6, GFAP and Nestin. In contrast, ZEB1 was never found in early neuronal cells as identified by TUBB3 staining.
To gain insight into ZEB1 function I generated a human fetal neural stem cell line and a glioblastoma cell line with ZEB1 knockdown, which were compared with their respective control cell lines. First, I found that ZEB1 does not regulate the micro RNA 200 family in either cell line, which has been described as an essential ZEB1 target in epithelial cancers. Second, regulated target genes were identified with a genome wide microarray. The third approach was to directly identify genomic binding sites of ZEB1 by chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq). All three approaches showed that the ZEB1 transcriptional program is surprisingly similar in the neural stem cell line and the glioblastoma cell line. In contrast, it bears only little resemblance to the program described in epithelial cancers.
The most interesting, previously unrecognized ZEB1 target gene identified in this study is integrin b1. It was regulated after ZEB1 knockdown detected by microarray analysis, and has a ZEB1 binding site in its promoter region detected by ChIP-seq. Finally, I addressed the question whether ZEB1 influences tumor growth and invasiveness in a glioblastoma model. After intracranial xenotransplantation in mice, ZEB1 knockdown glioblastoma cells formed significantly smaller and less invasive tumors than control glioblastoma cells.
This study demonstrates that ZEB1 is widely expressed in glioma and relevant for glioblastoma growth and invasion. In contrast to what is known about ZEB1 function in epithelial cancers, ZEB1 is not associated with glioma progression, but instead seems to be an early and necessary event in tumorigenesis. Also with regard to ZEB1 target genes, ZEB1 functions differently in glioblastoma than in epithelial cancers. The two most important ZEB1 targets in epithelial cancers are E-cadherin and the miR-200 family members. Both are not relevant to ZEB1 function in glioblastoma. Interestingly, while the ZEB1 transcriptional program is different from the one described in epithelial cancers, it is highly similar in glioblastoma cells and fetal neural stem cells. This suggests that an embryonic pathway restricted to stem- and progenitor cells during development is reactivated in glioblastoma.
Previously known ZEB1 target genes were tissue specific and therefore seemed unlikely to mediate ZEB1 function in the central nervous system. However, the newly identified ZEB1 target gene integrin b1 is well known to play pivotal roles in both glioblastoma tumorigenesis and invasion as well as in neural stem cells. Additionally, integrin b1 is widely expressed and seems a likely ZEB1 target in other organs than the brain.
Taken together, I demonstrate that ZEB1 is a new regulator of glioblastoma growth and invasion. The transcriptional program of ZEB1 differs from the one in epithelial cancers but is strikingly similar to the one in neural stem cells. The newly identified ZEB1 target gene integrin b1 is likely to mediate crucial ZEB1 functios. Thus, this study identifies ZEB1 as a yet unrecognized player in glioblastoma and neural development. Furthermore, it sets the stage for more research which will help to deepen our understanding of ZEB1 function in the central nervous system and beyond.
The increasing demand of the high value ω-3 fatty acids due to its beneficial role for human health, explains the huge need for alternative production ways of ω-3 fatty acids. The oleaginous alga Phaeodactylum tricornutum is a prominent candidate and has been investigated as biofactory for ω-3 fatty acids, e.g. the synthesis of eicosapentaenoic acid (EPA). In general, the growth and the lipid content of diatoms can be enhanced by genetic engineering or are influenced by environmental factors, e.g. nutrients, light or temperature.
In this study, the potential of P. tricornutum as biofactory was improved by heterologously expressing the hexose uptake protein 1 (HUP1) from the Chlorophyte Chlorella kessleri.
An in situ localization study revealed that only the full length HUP1 protein fused to eGFP was correctly targeted to the plasma membrane, whereas the N-terminal sequence of the protein is only sufficient to enter the ER. Protein and gene expression data displayed that the gene-promoter combination was relevant for the expression level of HUP1, while only cells expressing the protein under the light-inducible fcpA promoter showed a significant expression. In these mutants an efficient glucose uptake was detectable under mixotrophic growth condition, low light intensities and low glucose concentrations leading to an increased cell dry weight.
In a second approach, the growth and lipid content of wildtype cells were analyzed in a small 1l photobioreactor. Here, a commercial F/2 medium and a common culture medium, ASP and modified versions were compared. There was neither a significant impact on the growth and lipid content in P. tricornutum cells due to the supplemention of trace elements nor due to elevated salt concentrations in the media. In a modified version of ASP medium, with adapted nitrate and phosphate concentration a constantly high biomass productivity was achieved, yielding the highest value of 82 mg l-1 d-1 during the first three days. This was achieved even though light intensity was reduced by 40%. The differences in biomass productivity as well as the lipid content and the lipid composition underlined the importance of the choice of culture medium and the harvest time for enhanced growth and EPA yields in P. tricornutum.
In allen drei Domänen des Lebens ist in der Translation die Initiation der geschwindigkeits-bestimmende Schritt. Die Effizienz der Translationsinitiation und ihre unterschiedliche Regula-tion ist von Translationsinitiationsfaktoren (IFs) abhängig. Bakterien enthalten nur drei IFs, während die Anzahl bei Archaeen (aIFs) und Eukaryoten (eIFs) deutlich höher ist.
Das Archaeon Haloferax volcanii beispielsweise besitzt 14 Gene, die für aIFs bzw. deren Untereinheiten kodieren. Eine Deletionsanalyse ergab, dass fünf aIFs essenziell und neun aIFs nicht essenziell sind. Um einen Einblick in die Funktions- und Interaktionsbereiche der aIFs in H. volcanii zu erhalten, wurden die aIFs mit einem His-Tag versehen und überexpri-miert. Die Überexpression erfolgte in der jeweiligen Deletionsmutante. Für essenzielle aIFs fand sie im Wildtyp statt. Durch Affinitätsaufreinigungen wurden die aIFs und ihre Bindungs-partner isoliert und mittels Massenspektrometrie (MS) identifiziert. Für den Ausschluss unspe-zifischer Proteine dienten zwei stringente Kontrollen als Referenz, das Reportergen Dihydro-folatreduktase (HVO_1279) mit His-Tag und das Expressionsplasmid ohne Gen.
Die ersten Arbeiten konzentrierten sich auf den heterotrimeren Faktor aIF2. Er bindet die Ini-tiator-tRNA und ist damit für die Bildung des Präinitiationskomplexes von zentraler Bedeu-tung. Der Faktor aIF2 besteht aus jeweils einer α-, β- und γ-Untereinheit. In H. volcanii existie-ren zwei Orthologe für aIF2β. Die Überexpressionen der α-, β1-, β2- und γ-Untereinheiten führten zur Co-Isolation der jeweils anderen Untereinheiten des aIF2 (α, β1/ β2, γ).
Die Strategie der Co-Affinitätsaufreinigung und MS wurde auf alle weiteren annotierten aIFs ausgedehnt, um mögliche Funktionen zu identifizieren und ein potenzielles Interaktionsnetz-werk der aIFs zu erstellen. Für alle aIFs konnte ein unterschiedliches Muster an co-gereinigten Proteinen festgestellt werden. Mitgereinigte Proteine waren aIFs, Proteine der Translation, Transkription, Replikation und ribosomale Proteine. Auch RNA-Polymerase-Untereinheiten (RNAPUs) konnten co-isoliert werden. Mit 13 der 14 aIFs konnten andere Ini-tiationsfaktoren co-gereinigt werden. Sechs aIFs konnten zu Beginn bei keinem weiteren Initi-ationsfaktor mitgereinigt werden. Einer dieser Faktoren war aIF2β-1, der jedoch in den Affini-tätsaufreinigungen mit nachfolgender FPLC von aIF2β-2 identifiziert werden konnte. Der Fak-tor aIF1 konnte nur in der stationären Phase von aIF2α mitgereinigt werden.
Die am häufigsten co-gereinigten Proteine waren aIF2Bδ-1 und aIF5B. Für aIF2Bδ-1 kam dies überraschend, da er bereits als Translationsinitiationsfaktor ausgeschlossen wurde. Mit dem Faktor aIF2Bδ-1 selbst konnten fünf aIFs co-gereinigt werden.
Da mit den aIFs auch RNAPUs co-gereinigt werden konnten, wurden sieben RNAPUs ebenfalls mit einem His-Tag versehen und überexprimiert. Auch mit den RNAPUs konnten aIFs, sowie weitere Proteine der Translation mitgereinigt werden.
Diese Umstände legen nahe, dass es möglicherweise eine engere Verbindung der Tran-skription und Translation in H. volcanii geben könnte, als bisher angenommen.
Organismen besitzen die Fähigkeit sich Temperaturerniedrigungen anzupassen, wobei über die molekularen Mechanismen der Kälteadaptation wenig bekannt ist. Für die Untersuchung dieser Mechanismen stellt die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ein ausgezeichnetes Modellsystem aufgrund der einfachen Struktur und der Möglichkeit zur genetischen Manipulation dar. In dieser Arbeit wurde die transkriptionelle Antwort von S. cerevisiae auf Kälte mit Hilfe von DNA Chips (6330 ORFs) charakterisiert, wobei Proben von Hefekulturen mit einer Inkubationsdauer von 10 und 30 min, 2, 12 und 60 h bei 10°C verwendet wurden. 634 Gene reagierten mit einer signifikanten Expressionsänderungen auf den Kälteeinfluss, wobei zwei distinkte Phasen, definiert als frühe und späte Kälteantwort, identifiziert wurden. Vergleiche der Kälteantwort mit Expressionsdaten verschiedener Umweltstressbedingungen ergaben differentielle Expressionsmuster. Im Vergleich zu anderen Stressreaktionen zeigten Gene der frühen Kälteantwort entweder ein entgegengesetztes Expressionsmuster (“inverser Hitzeschockeffekt”) oder keine transkriptionelle Reaktion. Dieser Effekt kehrte sich während der späten Kälteantwort in eine allgemeine Stressantwort um. Messungen des Trehalose- und Glykogengehalts sowie Studien mit einer in der Stressinduktion beeinträchtigten Doppelmutante Δmsn2/Δmsn4 bei 10°C zeigten, dass die allgemeine Stressantwort ein Teil der späten Kälteantwort ist. Dagegen deuten die Daten der frühen Kälteantwort auf eine Kälte-spezifische Reaktion hin, wobei Anpassung der Membranfluidität sowie RNA-Modifikation eine essentielle Rolle spielen. Im Zusammenhang mit der Untersuchung der Kälteanpassung in S. cerevisiae wurde der ORF YBR255W mit unbekannter Funktion, dessen Deletion einen Kälte-sensitiven Wachstumsdefekt besitzt, auf molekular-biologischer und biochemischer Ebene charakterisiert. Die transkriptionelle Reaktion einer Δybr255w-Mutante bei Kälte (10ºC) wurde mit den Expressionsdaten des Wildtyps verglichen und zeigte starke Veränderungen während der frühen Kälteantwort, wobei nach 2 Stunden der größte Expressionsunterschied zum Wildtyp beobachtet wurde. 65% der Gene der frühen Kälteantwort zeigten YBR255Wabhängige Veränderungen, darunter Gene des Zellzyklus, des Zellwachstums und der Zelldifferenzierung. Interaktionsstudien auf genetischer und Proteinebene ergaben, dass Ybr255p mit einer Komponente des „Mitotic Exit Network“ und Komponenten des PKC1-Wegs interagiert. Die Überexpression von Ybr225p zeigte drastische Veränderungen der Zellmorphologie, wie sie ebenfalls für Mutanten des „Mitotic Exit Network“ beschrieben sind. Zusammengenommen mit der transkriptionellen Reaktion der Δybr255w-Mutante auf Kälte deuten diese Ergebnisse auf eine essentielle Rolle von Ybr255p im Zellzyklus bei Kälte hin.
Bei Cryptochromen handelt es sich um Blaulichtrezeptoren der Cryptochrom-Photolyase-Proteinfamilie (CPF). Mitglieder dieser Proteinfamilie sind in allen Domänen des Lebens zu finden und haben eine essentielle Rolle in der Reparatur der DNA sowie der lichtgesteuerten Regulation der Expression. Cryptochrome sind in der Regel keine DNA-reparierenden Proteine. Sie sind regulativ an der Steuerung der inneren Uhr und des Zellzyklus der Organismen beteiligt. In der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum konnten bisher sechs phylogenetisch unterschiedliche Mitglieder der CPF identifiziert werden. Bei CryP handelt es sich um das einzige pflanzenähnliche Cryptochrom der photoautotrophen Diatomee. Für das Protein CryP konnte bereits ein blaulichtinduzierter Photozyklus durch die Absorption der Chromophore 5-Methenlytetrahydrofolat (MTHF) und Flavinadenindinukleotid (FAD) gezeigt werden. Außerdem ist eine regulative Wirkung des Proteins auf die Lichtsammelkomplexe (Lhc) der Diatomee bekannt. Für eine weitere Charakterisierung des CryPs wurde in dieser Arbeit zunächst das Absorptionsverhalten unter verschiedenen Wellenlängen beobachtet, um so einen Einblick in eine mögliche Aktivierung und Deaktivierung des Proteins durch Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu erlangen. Es zeigte sich hierbei eine mit pflanzlichen Cryptochromen vergleichbare Anreicherung verschiedener Redoxzustände des FADs in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Für eine Aufklärung der Wirkungsweise des CryP-Proteins wurden verschiedene Hypothesen untersucht: Die phylogenetische Nähe und ein ähnliches Absorptionsverhalten des CryPs zu Cryptochromen mit Reparaturfähigkeit für einzelsträngige DNA (Cry-DASH) führte zu einer Untersuchung des Proteins als möglicher Transkriptionsfaktor. Hierfür konnte eine Kernlokalisation des Proteins nachgewiesen werden, was Rückschlüsse auf eine potentielle Regulation der Expression mittels DNA-Bindung zulässt. Außerdem wurde gezeigt, dass CryP DNA-Bindefähigkeit besitzt. Die bisher nachgewiesenen Bindungen waren jedoch unspezifischer Art. Dies konnte auch für die Promotersequenz eines der durch CryP regulierten Gene lhcf1 festgestellt werden. Auf Grund der unspezifischen DNA-Bindung wurde eine zweite Hypothese für CryP untersucht: CryP wirkt regulativ auf die Expression verschiedener Gene durch Protein-Protein-Interaktionen und ist Teil einer Reaktionskaskade zur Signalweiterleitung in P. tricornutum.
Durch die Untersuchung der zweiten Hypothese konnten drei Interaktionspartner für CryP identifiziert und eine Interaktion verifiziert werden. Hierbei handelt es sich um das Protein AAA mit einer bisher unbekannten Funktion und das Protein BolA, welches Teil der zuerst in Escherichia coli identifizierten BolA-like-Proteinfamilie ist. Außerdem konnte eine Interaktion mit dem Cold-Shock-Domänen-Protein CSDP gezeigt werden. Bei den Proteinen BolA und CSDP handelt es sich um potentiell regulierende Faktoren der Transkription und Translation, was Teil einer Reaktionskaskade sein kann. Die aus anderen Organismen bekannten Funktionen des BolA-Proteins überschneiden sich mit den in CryP-Knockdown-Mutanten beobachteten Effekten. Sie zeigen eine erhöhte Sensitivität für Stresssituationen wie abweichende Nährstoffkonzentration, Osmolaritäten und Temperaturen. Diese Beobachtungen stellen einen Zusammenhang der durch einen CryP-Knockdown beobachteten Effekte und der CryP-BolA-Interaktion her. Durch Homologien zu Cold-Shock-Proteinen aus Chlamydomonas reinhardtii gibt die CryP-Interaktion mit dem Protein CSDP Hinweise auf einen potentiellen Mechanismus zur Regulation der Lhc-Proteine, für welche zuvor ein CryP-abhängiger Effekt beschrieben war.
Über die Protein-Protein-Interaktionen hinaus wurde die Phosphorylierung des CryPs als Möglichkeit der Signalweiterleitung untersucht. Es konnte eine reversible Phosphorylierung des heterolog aus E. coli isolierten CryPs gezeigt werden. Diese zeigt Ähnlichkeiten zu bekannten Phosphorylierungen pflanzlicher Cryptochrome und gibt Hinweise auf einen Mechanismus der Signalweiterleitung.
Durch die Untersuchung der CryP-regulierten Transkription mit P. tricornutum CryP-Knockdown-Mutanten durch Next-Generation-Sequencing (NGS) konnte die Hypothese der regulativen Proteinkaskade und der Signalweiterleitung weiter bestätigt werden. Die Auswirkungen des CryPs auf die Transkription erwiesen sich als nicht auf einen Teilbereich des Metabolismus begrenzt, sondern sind in einem großen Teil der funktionellen Gengruppen in P. tricornutum zu sehen. Außerdem konnten drei Klassen CryP-regulierter Gene festgestellt werden. Kategorie 1: die ausschließlich unter Blaulicht regulierten Gene; Kategorie 2: die sowohl unter Blaulicht als auch im Dunkeln regulierten Gene und Kategorie 3: die ausschließlich im Dunkeln regulierten Gene. Ein im Dunkeln und unter Blaulicht jeweils unterschiedlicher regulativer Effekt deutet auf eine Doppelfunktion des CryPs hin. Möglicherweise hat das Cryptochrom unterschiedliche lichtabhängige und lichtunabhängige Funktionen.
Durch die Analyse der CryP-regulierten Genexpression konnte außerdem ein Zusammenhang zwischen CryP und weiteren Photorezeptoren gezeigt werden. Der CryP-Proteingehalt in der Zelle hat einen regulativen Einfluss auf das CPF1-Protein, eine Photolyase mit dualer Funktion aus der gleichen Proteinfamilie. Zusätzlich konnte auch ein Einfluss auf die Lichtsensitivität der Genexpression des Rotlichtrezeptors Phytochrom (DPH) durch CryP gezeigt werden. Vergleichbar mit höheren Pflanzen scheint ein regulatives Netzwerk der Photorezeptoren auch in der Diatomee P. tricornutum vorhanden zu sein.
Die Zuckertransporterfamilie ist eine Unterfamilie der MFS („major facilitator superfamily“), wobei die MFS wiederum als Überfamilie von Transportproteinen definiert wurde, die sich aus Proteinen mit 12 Transmembran-Domänen zusammensetzt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollte die subzelluläre Lokalisation und physiologische Funktion der uncharakterisierten Mitglieder der Zuckertransporterfamilie Ybr241 und Ygl104 untersucht werden. Mittels Zellfraktionierung durch Saccharosedichtegradienten-Zentrifugation und Fluoreszenzmikroskopie konnte eine Lokalisation von Ybr241 und Ygl104 in der vakuolären Membran festgestellt werden. Da Plasmamembran-Proteine zur Degradation ubiquitiniert, über Endocytose internalisiert und in der Vakuole abgebaut werden, wurden weitere Lokalisationsstudien sowohl in Endocytose-Mutanten als auch in einer Mutante mit Defekten in der Ubiquitinierung durchgeführt. Diese ergaben, daß die vakuoläre Lokalisation nicht auf Degradation zurückzuführen war. Somit handelt es sich bei Ybr241 und Ygl104 um residente vakuoläre Membranproteine. Lokalisationsstudien in vps-Mutanten erbrachten Hinweise darauf, daß zumindest Ygl104, wie die meisten vakuolären Proteine, über den CPY-Weg zur Vakuole befördert wird. Weder durch Wachstumsanalysen noch mit Hilfe von Phenotype MicroArrays™ (Biolog, Inc.) konnten Phänotypen der Deletionsmutanten von Ybr241 und Ygl104 identifiziert werden. Allerdings zeigte sich im Verlauf der Arbeit, daß die Deletionsmutanten einen Vorteil beim Wachstum mit geringen Glucosekonzentrationen bei 37°C haben. Des weiteren bestanden aufgrund von Datenbankanalysen Anhaltspunkte auf eine Beteiligung am Trehalosestoffwechsel. Durch Hitzeschockexperimente konnte eine essentielle Rolle von Ybr241 und Ygl104 bei der Resistenz von Zellen gegenüber schwerem Hitzestreß identifiziert werden. Die verminderte Thermotoleranz der Deletionsmutanten war aber nicht auf einen geringeren Gehalt der Zellen am Streßschutzmolekül Trehalose zurückzuführen. Zudem deckte ein SGA („synthetic genetic array“) eine synthetisch kranke Interaktion von YBR241C und YGL104C mit dem Gen der Trehalose-6-Phosphat-Synthase TPS1 auf. Diese Interaktion sprach gegen eine Beteiligung der Genprodukte am Trehalosestransport, da tps1-Mutanten keine Trehalose enthalten. tps1-Mutanten haben einen Wachstumsdefekt mit schnell fermentierbaren Kohlenstoffquellen, der höchstwahrscheinlich auf einen Mangel an freiem Phosphat zurückzuführen ist. Somit scheinen die Proteine Ybr241 und Ygl104 die intrazelluläre Phosphatkonzentration zu beeinflussen. Eine Analyse ergab, daß der Phosphat- und Polyphosphatgehalt der Mutanten teilweise stark herabgesetzt war. Der Einfluß könnte direkt durch Phosphatimport in die Vakuole stattfinden oder sekundär über eine Verminderung der Glycerinproduktion, da durch die Synthese von Glycerin wieder Phosphat freigesetzt wird. Somit handelt es sich bei Ybr241 und Ygl104 möglicherweise um vakuoläre Phosphat- oder Glycerintransporter. Ferner konnte gezeigt werden, daß die saure Trehalase Ath1 sekretiert wird und Trehalose extrazellulär in Glucose hydrolysiert. Die Glucosemoleküle werden dann von der Hefezelle aufgenommen und verstoffwechselt. Somit spielt Ath1 eine essentielle Rolle beim Wachstum der Hefe mit Trehalose als Kohlenstoffquelle. Ziel des zweiten Teils dieser Doktorarbeit war die Entwicklung eines genomweiten Screens nach ER-Verpackungschaperonen, durch den bisher unbekannte Verpackungschaperone identifiziert werden sollten. Durch Testen verschiedener Varianten des Screens konnte ein Verfahren entwickelt werden, das prinzipiell funktionierte. Für den Einsatz im genomweiten Maßstab war es jedoch ungeeignet, da mit einer hohen Rate an falsch negativen Ergebnissen zu rechnen gewesen wäre.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation sollte der Sphingolipid-Biosyntheseweg der Hefe Pichia ciferrii näher charakterisiert werden, um die Entwicklung einer fermentativen Route zur Sphingosin-Produktion zu ermöglichen. Darüber hinaus galt es patentierbare Selektionssysteme für diese Hefe zu etablieren. Durch Sequenzvergleiche mit nahe verwandten Hefen und das Ableiten degenerierter Primer wurden elf für die Sphingolipid-Biosynthese von Pichia ciferrii relevante Gene isoliert und sequenziert: LCB1 (codiert für eine UE der Serin-Palmitoyltransferase), TSC10 (3-Ketosphinganin-Reduktase), LAG1 und LAF1 (Ceramid-Synthasen), LIP1 (UE der Ceramid-Synthasen), DES1 (Dihydroceramid-delta4-Desaturase), YXC1 (Ceramidase), 8DES (Sphingolipid-delta8-Desaturase), 9MTR (Sphingolipid-C9-Methyltransferase), GCS1 (Ceramid-Glycosyltransferase) und LCB4 (LCB-Kinase). Bioinformatische Analysen, sowie in vivo-Experimente dienten der Einordnung der korrespondierenden Genprodukte in den Stoffwechselweg. Die Bestimmung der Substratspezifität einzelner Enzyme aus der Sphingolipid-Biosynthese erfolgte durch Überexpression der korrespondierenden Gene und anschließende Analyse des Einflusses auf die Zusammensetzung der Sphingolipidfraktion von Pichia ciferrii. Zusammengenommen wurde durch die Ergebnisse ein deutlich geschärftes Bild der Biosynthese von Sphingolipiden in Pichia ciferrii erstellt. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Sphingolipid-Biosynthese in Pichia ciferrii fanden Anwendung auf die rationale Stammentwicklung eines Sphingosin-Produzenten. Durch die kombinierte Überexpression der die Dihydroceramid-delta4-Desaturase aus Pichia ciferrii, die Ceramid-Synthase aus Coccolithovirus und eine alkalische Ceramidase aus Mus musculus kodierenden Gene wurde eine 8,5-fache Erhöhung der Sphingosin-Konzentration von 7,5 mg/L in vom Wildtyp abgeleiteten Syringomycin-E-resistenten Stämmen auf 64,0 mg/L erzielt. Die Codon-Optimierung der heterolog exprimierten Gene zur Anpassung an die sehr eingeschränkte Codon-Verwendung von Pichia ciferrii erwies sich hierbei als essentiell. Zur Nutzbarmachung von rekombinanten Pichia ciferrii-Stämmen für die industrielle Anwendung wurden darüber hinaus drei neue Selektionssysteme etabliert. Zum einen wurde eine codon-optimierte Form des nat1-Gens genutzt, um eine Nourseothricin-Resistenz zu vermitteln. Zum anderen wurden stabile Uracil- bzw. Lysin-auxotrophe Pichia ciferrii-Stämme erzeugt, die mittels eines entsprechenden Integrationsvektors mit den Auxotrophie-Markergenen URA3 bzw. LYS2 aus Pichia ciferrii zu prototrophen Stämmen komplementiert werden konnten. Zusammengenommen mit der ersten gezielten Disruption eines Gens in Pichia ciferrii (SYR2, codiert für die Sphinganin-Hydroxylase) konnte somit auch die molekularbiologische Handhabbarkeit von Pichia ciferrii deutlich verbessert werden.
Die halophilen Archaea Haloferax volcanii und Halobacterium salinarum haben sich aufgrund ihrer metabolischen Vielseitigkeit und der Verfügbarkeit vieler molekulargenetischer und biochemischer Techniken zu archaealen Modellorganismen für die Untersuchung zellulärer Prozesse entwickelt. In den vergangenen Jahren wurden eine Vielzahl prokaryaler Genome sequenziert, es zeigte sich jedoch, dass ca. 30% aller Gene keine Funktion zugeordnet werden kann. Die funktionelle Genomforschung zielt darauf, durch parallele genomweite Untersuchung der Genexpression die Funktion der Transkripte bzw. der Proteine aufzuklären. In der vorliegenden Arbeit wurden für beide halophilen Archaea genomweite Genexpressionsanalysen unter Verwendung der DNA-Mikroarray- Technologie etabliert. Aufgrund der derzeit nicht vorhandenen Genomsequenz wurde für die Untersuchung der Genexpression von H. volcanii der erste und bisher einzig beschriebene genomweite shotgun-DNA-Mikroarray konstruiert. Dazu wurde zunächst eine Genombibliothek mit einer durchschnittlichen Fragmentgröße von 1,5 kb hergestellt. Die Genombibliothek wurde anschließend in eine PCR-Produkt-Bibliothek umgewandelt, die dazu genutzt wurde, in einem hochdichten Raster zwei DNA-Mikroarrays herzustellen, einen 960-Sonden DNA-Mikroarray zur Etablierung und Optimierung der Methode und einen 2880-Sonden DNA-Mikroarray, der einer einfachen Genomabdeckung entspricht. Für den Vergleich der Genexpression nach einer Änderung der Kohlenstoffquelle wurden Zellen von H. volcanii einem Wechsel von Wachstum mit Aminosäuren zu Wachstum mit Glukose als alleiniger Kohlenstoff-Quelle unterzogen. Die Transkriptomänderungen vom Wechsel der Kohlenstoff-Quelle bis zum erneuten Beginn des exponentiellen Wachstums wurden zu fünf Zeitpunkten mit dem 2880-Sonden DNA-Mikroarray analysiert. Es wurden fünf verschiedene Klassen kinetisch gleichregulierter Gene gefunden, die entweder induziert, reprimiert oder transient induziert waren. Insgesamt wurden ca. 10% aller Gene zu mindestens einem Zeitpunkt mehr als 2,5 fach reguliert. Für Gene aller fünf Klassen wurden die Ergebnisse durch Northern-Analysen verifiziert. Die Identität der regulierten Gene wurde durch Sequenzierung der PCR-Produkte von beiden Enden ermittelt. Es wurde ein breites Spektrum an Genen identifiziert, deren Genprodukte für unterschiedliche funktionelle Kategorien wie Stoffwechselenzyme, ABC-Transporter, regulatorische Proteine und hypothetische Proteine usw. kodieren. Viele gleichregulierte Gene kodieren für Proteine gemeinsamer Funktion. Erwartete wie auch unerwartete Ergebnisse erlaubten Vorhersagen über den zentralen Metabolismus, die Transportkapazität und der zellulären Organisation bei Wachstum von H. volcanii auf Aminosäuren bzw. Glukose. Die Mikroarray-Analysen stehen im Einklang mit der Wachstumsrate und dem Ribosomengehalt von H. volcanii bei Wachstum auf den alternativen Kohlenstoffquellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein shotgun-DNA-Mikroarray mit einfacher Genomabdeckung die Charakterisierung der Regulation metabolischer Prozesse sowie die funktionelle Charakterisierung von Proteinen bzw. Proteinkomplexen erlaubt. Für Halobacterium salinarum, dessen Genomsequenz bekannt ist, wurde ein genomweiter genspezifischer DNA-Mikroarray konstruiert. Hierzu wurde jeder ORF des Genoms unter Verwendung von ORF-spezifischen Oligonukleotiden mittels PCR amplifiziert. Zur Etablierung dieses Systems wurden zunächst mit einem 200-Sonden DNA-Mikroarray exemplarisch Genexpressionsanalysen für zwei verschiedene Wachstumsbedingungen durchgeführt. Bei anaeroben Wachstum von H. salinarum durch fermentativen Argininabbau wurden im Vergleich zu aeroben Wachstum die für die Argininfermentation essentiellen Gene induziert. Dagegen wurden charakteristische Gene des aeroben Stoffwechsels reprimiert. Zur Untersuchung des Zellzyklusses von H. salinarum wurde der genomweite genspezifische DNAMikroarray verwendet. Um erstmals genomweit die zellzyklusspezifische Genexpression eines Archaeons zu analysieren, wurden Zellen von H. salinarum durch eine reversible Zellzyklusblockade mit Aphidicolin, einem DNA-Polymerase Inhibitor, synchronisiert. Vorläufige Transkriptomstudien mit einer synchron wachsenden H. salinarum-Kultur deuten an, dass die Transkription der Mehrzahl der Gene im Verlauf des Zellzyklusses nicht reguliert wird. Die Untersuchungen dieser Arbeit bilden die Grundlage für genomweite funktionelle Charakterisierungen haloarchaealer Genexpression und Regulationsprozesse.
Monoterpenes and their monoterpenoid derivatives form a subclass of terpene(oid)s. They are widely used in medicines/pharmaceuticals, as flavor and fragrance compounds, or in agriculture and are also considered as future biofuels. However, for many of these substances, the extraction from natural sources poses challenges such as occurring at low concentrations in their raw material or because the natural sources are diminishing. Furthermore, many of the structurally more complex terpenoids cannot be chemically synthesized in an economic way. Therefore, microbial production provides an attractive alternative, taking advantage of the often distinct regio- and stereoselectivity of enzymatic reactions. However, monoterpenes and monoterpenoids are challenging products for industrial biotechnology processes due to their pronounced cytotoxicity, which complicates the production in microorganisms compared to longer-chain terpenes (sesquiterpenes, diterpenes, etc.).
The aim of this thesis was to generate a biotechnological complement to fossil-resources-based chemical processes for industrial monoterpenoid production. Therefore, a starting point for the further development of a microbial cell factory based on the microbe Pseudomonas putida KT2440 was aimed to be created. This production organism should be able to conduct a whole- cell biocatalysis to selectively oxyfunctionalize monoterpene hydrocarbons using renewable industrial by-products and waste streams as raw material for monoterpenoid production (Figure 1). As a model substance, the production of (-)-menthol should be addressed due to its industrial significance. (-)-Menthol is one of the world’s most widely-used flavor and fragrance compounds by volume as well as a medical component, having an annual production volume of over 30,000 tons. An approach for (-)-menthol production from renewable resources could be a biotechnological(-chemical) two-step conversion (Figure 1), starting from (+)-limonene, a by-product of the citrus fruit processing industry.
The thesis project was divided into three parts. In the first part, enzymes (limonene-3- hydroxylases) were to be identified that can convert (+)-limonene into the precursor of (-)-menthol, (+)-trans-isopiperitenol. To counteract product toxicity, in the second part, the tolerance of the intended production organism P. putida KT2440 towards monoterpenes and their monoterpenoid derivatives should be increased. Finally, in the third part, the identified hydroxylase enzymes would be expressed in the improved P. putida KT2440 strain to create a whole-cell biocatalyst for the first reaction step of a two-step (-)-menthol production, starting from (+)-limonene.
To achieve these objectives, different genetic/molecular biology and analytical methods were applied. In this way, two cytochrome P450 monooxygenase enzymes from the fungi Aureobasidium pullulans and Hormonema carpetanum could be identified and functionally expressed in Pichia pastoris, which can catalyze the intended hydroxylation reaction on (+) limonene with high stereo- and regioselectivity. A further characterization of the enzyme from A. pullulans showed that apart from (+) limonene the protein can also hydroxylate ( ) limonene, - and -pinene, as well as 3-carene.
Furthermore, within this thesis, mechanisms of microbial monoterpenoid resistance of P. putida could be identified. It was shown that the different monoterpenes and monoterpenoids tested have very different toxicity levels and that mainly the Ttg efflux pumps of P. putida GS1 are responsible for the tolerance to many of these compounds. Based on these results, a P. putida KT2440 strain with increased resistance to various monoterpenoids, including isopiperitenol, could then be generated, which can be used as a host organism for the further development of monoterpenoid-producing cell factories.
While within the scope of this work the heterologous expression of the fungal gene in prokaryotic cells in a functional form could not be realized despite different approaches, the identified enzymes, the monoterpenoid-tolerant P. putida strain and a plasmid developed for heterologous gene expression in P. putida provide a starting point for the further design of a microbial cell factory for biotechnological monoterpenoid production.
Das Thema der vorliegenden Arbeit war die molekulargenetische Charakterisierung der Funktion der Glukosesensoren Snf3 und Rgt2 in der Hefe S. cerevisiae. Snf3 und Rgt2 gehören zur Familie der Hexosetransporter. Sie unterscheiden sich von ihnen jedoch in ihrer Funktion als Glukosesensoren wie auch durch ihre ungewöhnlich langen Cterminalen Domänen. Snf3 und Rgt2 sind integrale Membranproteine, die als Reaktion auf extrazelluläre Glukose Signale auslösen, die zur Expression bestimmter Hexosetransporter führt. Einige Komponenten, die an der Signaltranduktion beteiligt sind, wurden bereits identifiziert. Jedoch ist der genaue Mechanismus, der zur Expression der Hexostransporter führt, noch nicht vollständig aufgeklärt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die Proteine Snf3, Rgt2, Mth1, Std1 und Rgt1 auf direkte Interaktionen untereinander getestet, um Einblicke in den molekularen Mechanismus der Signaltransduktion zu erhalten. Desweiteren sollte festgestellt werden, ob die Protein-Wechselwirkungen von der C-Quelle abhängig sind. Es konnte gezeigt werden, dass zwischen den Membranproteinen Rgt2 bzw. Snf3 und den löslichen Proteinen Mth1 bzw. Std1 Interaktionen in Abhängigkeit von Glukose stattfanden. Diese Ergebnisse unterstützen das von Moriya und Johnston aufgestellte, gegenwärtige Modell für eine glukoseinduzierte HXT Genexpression. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde geprüft, ob sich aus dem Glukosesensor Snf3 durch eine Aminosäuresubstitution ein bifunktionaler Sensor für Glukose und Galaktose erzeugen läßt. Dazu wurden die für den Galaktosetransport verantwortlichen Aminosäuren in den homologen Positionen von Snf3 ausgetauscht. Die Bestimmungen der Regulation des Snf3-kontrollierten HXT7 Promotors ergaben, dass das mutierte Snf3 Protein, wie das Wildtyp-Snf3 Protein, eine normale Glukosesensorfunktion ausübt aber keine Galaktosesensorfunktion vorzeigt.
Exploring strategies to improve the reverse beta-oxidation pathway in Saccharomyces cerevisiae
(2024)
Microbes are the most diverse living organisms on Earth, with various metabolic adaptations that allow them to live in different conditions and produce compounds with different chemical complexity. Microbial biotechnology exploits the metabolic diversity of microorganisms to manufacture products for different industries. Today, the chemical industry is a significant energy consumer and carbon dioxide emitter, with processes that harm natural ecosystems, like the extraction of medium-chain fatty acids (MCFAs). MCFAs are used as precursors for biofuels, volatile esters, surfactants, or polymers in materials with enhanced properties.
However, their current extraction process uses large, non-sustainable monocultures of coconut and palm trees. Therefore, the microbial production of MCFAs can help reduce the current environmental impact of obtaining these products and their derivatives.
In nature, fatty acids are mostly produced via fatty acid biosynthesis (FAB). However, the reverse β-oxidation (rBOX) is a more energy-efficient pathway compared to FAB. The rBOX pathway consists of four reactions, which result in the elongation of an acyl-CoA molecule by two carbon units from acetyl-CoA in each cycle. In this work we used Saccharomyces cerevisiae, an organism with a high tolerance towards toxic compounds, as the expression host of the rBOX pathway to produce MCFAs and medium-chain fatty alcohols (MCFOHs).
In the first part of this work, we expanded the length of the products from expressing the rBOX in the cytosol and increased the MCFAs titres. First, we deleted the major glycerol-3-phosphate dehydrogenase (GPD2). This resulted in a platform strain with significantly reduced glycerol fermentation and increased rBOX pathway activity, probably due to an increased availability of NADH. Then, we tested different combinations of rBOX enzymes to increase the length and titres of MCFA. Expressing the thiolase CnbktB and β-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase CnpaaH1 from Cupriavidus necator, Cacrt from Clostridium acetobutylicum and the trans-enoyl-CoA reductase Tdter (Treponema denticola) resulted in hexanoic acid as the main product.
Expressing Cncrt2 (C. necator) or YlECH (Y. lipolytica) as enoyl-CoA hydratases resulted in octanoic acid as the main product. Then, we integrated the octanoic (Cncrt2 or YlECH) and the hexanoic acid (Cacrt)-producing variants in the genome of the platform strain and we achieved titers of ≈75 mg/L (hexanoic acid) and ≈ 60 mg/L (octanoic acid) when growing these strains in a complex, highly buffered medium. These are the highest titers of octanoic and hexanoic acid obtained in S. cerevisiae with the rBOX. Additionally, we deleted TES1 and FAA2 to prevent competition for butyryl-CoA and degradation of the produced fatty acids, respectively.
However, these deletions did not improve MCFA titers. In addition, we tested two dual acyl-CoA reductase/alcohol dehydrogenases (ACR/ADH), CaadhE2 from C. acetobutylicum and the putative ACR/ADH EceutE from Escherichia coli, in an octanoyl-CoA-producing strain to produce MCFOH. As a result, we produced 1-hexanol and 1-octanol for the first time in S. cerevisiae with these two enzymes. Nonetheless, the titres were low (<10 mg/L and <2 mg/L, respectively), and four-carbon 1-butanol was the main product in both cases (>80 mg/L). This showed the preference of these two enzymes for butyryl-CoA.
In the second part of this work, we expressed the rBOX in the mitochondria of S. cerevisiae to benefit from the high levels of acetyl-CoA and the reducing environment in that organelle. First, in an adh-deficient strain, we mutated MTH1, a transcription factor regulating the expression of hexose transporters, and deleted GPD2. This resulted in a strain with a reduced Crabtree effect and, therefore, an increased carbon flux to the mitochondria. We partially validated the increased flux to the mitochondria by expressing the ethanol-acetyltransferase EAT1 from Kluyveromyces marxianus in this organelle. This resulted in a higher isoamyl acetate production in the MTH1-mutant strain. Isoamyl acetate is synthesised by Eat1 from acetyl-CoA and isoamyl alcohol, a product of the metabolism of amino acids in the mitochondria. Then, we targeted different butyryl-CoA-producing rBOX variants to the mitochondria, and we used the production of 1-butanol and butyric acid as a proof-of-concept. The strong expression of all the enzymes was toxic for the cell, and the highest butyric acid titres (≈ 50 mg/L) in the mitochondria from the rBOX were obtained from the weak expression of the pathway. The highest 1-butanol titers (≈ 5 mg/L) were obtained with the downregulation of the mitochondrial NADH-oxidase NDI1. However, this downregulation led to a non-desirable petite phenotype.
In summary, we produced hexanoic and octanoic acid for the first time in S. cerevisiae using the rBOX and achieved the highest reported titers of hexanoic and octanoic acid so far using this pathway in S. cerevisiae. In addition, we successfully compartmentalised the rBOX in the mitochondria. However, competing reactions, some of them essential for the viability of the cell, limit the use of this organelle for the rBOX.
Terpene bilden mit mehr als 81.000 Verbindungen die größte Klasse der Naturstoffe. Nichtsdestotrotz wird ihre strukturelle Vielfalt durch die Isoprenregel begrenzt. Diese besagt, dass alle primären Terpensynthaseprodukte aus Bausteinen mit fünf Kohlenstoffatomen hervorgehen. Ihre Produkte sind somit kanonisch, da sie durch ein Vielfaches von fünf Kohlenstoffatomen dargestellt sind. In dieser kumulativen Arbeit wird die mikrobielle Produktion einer Vielzahl neuartiger nicht-kanonischer Terpene beschrieben und somit der chemische Strukturraum von Terpenoiden über die Grenzen der Isoprenregel hinaus erweitert. Um dies zu erreichen, wurden in verschiedenen Ansätzen die Gene des Mevalonatwege, einschließlich einer IPP-Isomerase gemeinsam mit verschiedenen Prenylpyrosphosphat-Methyltransferasen und Terpensynthasen in E. coli exprimiert und die Produktspektren der Biosynthesewege detailliert untersucht.
Ein breites Spektrum neuer C11-Terpene wurde als Nebenprodukt der bakteriellen 2-Methylisoborneol- oder 2-Methylenbornansynthasen entdeckt. Neben elf bekannten konnten 24 neuartige C11-Terpene nachgewiesen werden, die bisher noch nicht als Terpensynthase-Produkte beschrieben wurden. Vier davon, 3,4-Dimethylcumol, 2-Methylborneol und die beiden Diastereomere von 2-Methylcitronellol, konnten identifiziert werden. Außerdem wurde das C16-Terpen 6-Methylfarnesol als Produkt identifiziert.
Die Produktselektivität einer C11-Terpensynthasen, die 2 Methylenbornansynthase aus Pseudomonas fluorescens, wurde durch einen semirationalen Protein-Engineering-Ansatz verändert. Aminosäuren des aktiven Zentrums mit Einfluss auf die Produktselektivität wurden identifiziert. Entsprechende Varianten des Enzyms führen zu gänzlich veränderten Produktspektren. So wurden neue Einblicke in die Struktur-Funktions-Beziehung für C11-Terpensynthasen gewonnen und bisher unzugängliche nicht-kanonische Terpene produziert.
Eine IPP-Methyltranferase wurde identifiziert und charakterisiert, die den C5-Baustein der Terpenbiosynthese in eine Vielzahl von C6- und C7-Prenylpyrophosphate umwandelt. Die heterologe Expression in E. coli gemeinsam mit anderen Genen der Terpenbiosynthese erweitert das potenzielle Terpensynthase-Substratspektrum außerdem um C11-, C12-, C16- und C17 Prenylpyrosphopshate. Darüber hinaus konnten polymethylierte C41-, C42-und C43-Carotinoide synthetisiert werden. So wurde die Terpenbiosynthese durch die Modifikation ihrer Bausteine erweitert und neue ungewöhnliche Terpene produziert.
Biotechnological processes offer better production conditions for a wide variety of goods of industrial interest. The production of aromatic compounds, for example, involves molecules of great value for cosmetic, plastic, agrochemical and pharmaceutic industries. However, the yield of such processes frequently prevents a proper implementtation that would allow the replacement of traditional production processes.
Numerous rational engineering approaches have been attempted to enhance metabolic pathways associated with desired products. Unfortunately, genetic modifications and heterologous pathway expression often lead to a higher metabolic burden on the producing organisms, ultimately leading to reduced production levels and fitness.
This project utilised adaptive laboratory evolution to better understand the development of synthetic cooperative consortia, using S. cerevisiae as a model organism. Specifically, a synthetic cooperative consortium was developed around the exchange of lysine and tyrosine, which was subjected to adaptive laboratory evolution aiming to induce mutations that would improve the system’s fitness either by enhanced production or upgraded stress resistance. Consequently, the mutant strains isolated after the evolution rounds were sequenced to identify relevant variations that could be related to the growth and production phenotypes observed.
The insights derived from this project are expected to contribute to further developing synthetic cooperative consortia with utilitarian purposes.
In view of a growing world population and the finite nature of fossil resources, the development of eco-friendly production processes is essential for the transition towards a sustainable industry. Methanol, which can be produced both petrochemically and from renewable resources, offers itself as bridging technology and attractive alternative raw material for biotechnological processes. This work describes developments for the progress of the well-studied methylotrophic α proteobacterium Methylorubrum extorquens AM1 towards an efficient methylotrophic cell factory. Although many homologous and heterologous production routes have already been described and realized for M. extorquens in a laboratory scale, no industrial process has yet been realized. Three major reasons can be identified for this: (1) A limited choice of tools for genetic modifications, (2) a lack of understanding of carbon fluxes and side reactions occurring in modified strains, such as product reimports, and (3) the lack of tailored production strains for profitable target products and optimized bioprocessing protocols. The aim of the present work was to achieve developments for the mentioned areas. As a model application, the high-level production of chiral dicarboxylic acids from the substrate methanol was chosen. Enantiomerically pure chiral compounds are of great interest, e.g., as building blocks for chiral drugs. The ethylmalonyl CoA metabolic pathway (EMCP) which is part of the primary metabolism of M. extorquens, harbors unique chiral CoA-ester intermediates. Their acid derivatives can be released by cleavage of the CoA-moiety using heterologous enzymes. The dicarboxylic acids 2 methylsuccinic acid and mesaconic acid were produced in a previous study by introducing the heterologous thioesterase YciA into M. extorquens. In the said study, a combined product titer of 0.65 g/L was obtained in shake flask experiments. These results serve as the basis for the developments in the present work.
First, the previously described reuptake of products was thoroughly investigated and dctA2, a gene encoding for an acid transporter, was identified as target for reducing the product reuptake. In addition, reuptake of mesaconic acid was prevented by converting it to (S)-citramalic acid, a product not metabolizable by M. extorquens, by the introduction of a heterologous mesaconase. Together with 2-methylsuccinic acid, for which a high enantiomeric excess of (S)-2-methylsuccinic acid was determined, a second chiral molecule was thus added to the product spectrum. For the release of dicarboxylic acid products, YciA, a broad-range thioesterase that accepts a variety of CoA-esters with different chain lengths as substrates, was chosen. The enzyme should theoretically be able to hydrolyze all CoA-esters of interest present in the EMCP. However, in culture supernatants of M. extorquens strains that were overexpressing the corresponding yciA gene, only mesaconic acid and 2 methylsuccinic acid could be detected. To expand the substrate spectrum of YciA thioesterase with respect to other EMCP intermediates, semi-rational enzyme engineering was attempted. Screening of the corresponding strains carrying the respective YciA variants did not result in strains capable of producing new dicarboxylic acid products. However, the experiments revealed an amino acid position that strongly affected the production of mesaconic acid and 2-methylsuccinic acid in vivo. By substituting the according amino acid in YciA, the maximum titers of mesaconic acid and 2-methylsuccinic acid could be increased substantially. Application of an improved thioesterase variant in a second E. coli-based process confirmed the enhanced activity of the enzyme. The desired extension of the product spectrum by another chiral molecule (2-hydroxy-3-methylsuccinic acid, presumably the (2S,3R)-form) was finally achieved by using an alternative thioesterase. Tailored fermentation strategies were developed for the high-level production of the above-mentioned products.
As second part of the work, two novel genetic tools for M. extorquens were developed and characterized. The pBBR1-derived plasmid pMis1_1B was shown to be stably maintained in M. extorquens cells. In addition, its suitability for co-transformations with other plasmids was demonstrated. The second tool, the cumate-inducible promoter Ps6, is tailored for expression of pathways with toxic products, as the transcription of genes controlled by Ps6 is strongly repressed in the absence of an inducer.
Overall, the present work demonstrates the enormous potential of using M. extorquens as a methylotrophic cell factory. In the applications shown, the biotechnological production of high-priced chiral molecules is combined with the use of an attractive alternative substrate. In addition, new achievements and approaches are presented to facilitate the development of future M. extorquens production strains.
For thousands of years, S. cerevisiae has been employed by humans in brewing and baking. Nowadays, this budding yeast is more than that: it is a well investigated model organism and an established workhorse in biotechnology. S. cerevisiae serves as a production host for various applications such as i) bioethanol production ii) the biosynthesis of hormones including insulin or iii) cannabinoid biosynthesis. Hereby, the robustness of S. cerevisiae and its high tolerances regarding pH and salt concentrations qualifies it for a wide range of industrial applications. Moreover, products of S. cerevisiae are generally recognised as safe (GRAS), enabling diverse biotechnological applications. Various mechanisms for genetic engineering of S. cerevisiae are applicable and the engineering process itself is straightforward since methods are established and widely known. Due to the wide range of industrial applications of S. cerevisiae, this organism is an ideal candidate for applied research and implementation of the recombinant biosynthesis of tocochromanols in this study.
Tocochromanols encompass tocotrienols and tocopherols, which are lipid-soluble compounds that are commonly associated with vitamin E activity. Hereby, α-tocopherol is the most prevalent form, as it is an essential nutrient in the diet of humans and animals. Naturally, tocochromanols are almost exclusively synthesised by photoautotrophic organisms such as plants or cyanobacteria. They consist of an aromatic head group and a polyprenyl side chain which is saturated in tocopherols and 3-fold unsaturated in tocotrienols. The methylation status of the chromanol ring distinguishes α-, β-, γ- and δ-tocochromanol. All forms of tocochromanols represent a group of powerful antioxidants, scavenging reactive oxygen species (ROS) and preventing the propagation of lipid oxidation in lipophilic environments. Recently, attention has been drawn to tocotrienols, due to their benefits in neuroprotection as well as cholesterol-lowering and anti-cancer properties. Consequently, tocochromanols are valuable additives in the food, feed, cosmetic and pharmaceutical industries.
The metabolic engineering strategy of S. cerevisiae to enable tocochromanol biosynthesis was started in a preceding master thesis with the provision of the aromatic moiety, homogentisic acid (HGA), from the aromatic amino acid biosynthesis. Hereby, the upregulation and redirection of the native pathway was essential. Therefore, a strain with an engineered aromatic amino acid pathway for improved 4 hydroxyphenylpyruvate (HPP) production (MRY33) was utilised from Reifenrath and Boles (2018). Furthermore, a heterologous hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD) was required to convert HPP into HGA. Thus, several heterologous HPPDs were expressed and characterised regarding their HGA production within the previous study. The best variant originated from Yarrowia lipolytica, YlHPPD, and was integrated into the genome of MRY33. The resulting strain JBY2, produced 435 mg/L HGA in a shake flask fermentation.
This work was started with the genetically highly modified strain JBY2, whose genome already contained a large number of genes artificially expressed behind strong promoters. For further strain development, it was advantageous to maintain a high degree of sequence variability in order to prevent genomic instabilities due to sequence homologies. Thus, 17 artificial promoters (AP1-AP17) were characterised regarding their strength of expression by the yellow fluorescent protein (YFP). These sequences were also part of a patent that was filed during this work (WO2023094429A1).
The key point of this study was the development of a metabolic engineering strategy for the strain JBY2. First, the sufficient supply of the second precursor, the polyprenyl side chain, was investigated. Natively, S. cerevisiae produces the precursor, geranylgeranyl diphosphate (GGPP), from the isopentenyl diphosphate pathway. However, without further engineering, GGPP was barely detectable in JBY2 (< 0.1 mg/L). Thus, engineering of the isopentenyl diphosphate biosynthesis was necessary. The limiting enzyme of the mevalonate pathway was the 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase (HMGCR), which is encoded by HMG1. Therefore, a truncation for feedback-resistance and its overexpression by a promoter exchange was performed. Furthermore, the promoter of the gene for the squalene synthase (pERG9) was exchanged by the ergosterol sensitive promoter pERG1 to limit the metabolic flux of the mevalonate pathway into the ergosterol pathway. The native GGPP synthase (BTS1) was another limitation that was observed throughout this study. To overcome this bottleneck, plasmid-based and integrative overexpression of the native BTS1 and a codon optimised BTS1 were investigated. Other strategies to improve GGPP production were the deletion of the gene for the diacylglycerol pyrophosphate phosphatase (DPP1) to prevent excessive dephosphorylation of GGPP to geranylgeraniol (GGOH), and the overexpression of the farnesyl pyrophosphate synthetase, encoded by ERG20. However, the best improvements of the GGPP biosynthesis, inferred through GGOH measurements, were achieved from the screening of several heterologous GGPP synthases in S. cerevisiae. The best performing strain was JBY61 (JBY2, hmg1Δ::pTDH3-HMG1tr[1573–3165], pERG9Δ::pERG1, ChrIV-49293-49345Δ::pTDH3-XdcrtE-tSSA1_LEU2), bearing the heterologous GGPP synthase crtE of Xanthophyllomyces dendrorhous and produced 64.23 mg/L GGOH. Consequently, this engineering strategy improved the GGOH production by a factor of 642 compared to the parent strain JBY2.
Sphingolipids are not only structural components of cell membranes but can also act as signalling molecules in different pathways. Sphingolipid precursors, Ceramides (Cer), are synthesized de novo by six different synthases (CerS1-6) which generate Cer of different chain lengths. Cer can be further synthesized to glycosphingolipids and sphingomyelin. Cell membrane parts that are enriched in glycosphingolipids are so-called lipid rafts and can function as signalling platforms for different receptors, such like the T cell receptor (TCR). CD4+ T cells play a crucial role in the development of ulcerative colitis, a chronic inflammatory disease of the colon. As CerS3 expression was increased in the white blood cells of human colitis patients, the role of CerS3 in the TCR signalling and colitis was investigated in this dissertation. By lenti-viral transduction of a CerS3-shRNA into a CD4+ Jurkat cell line, it was shown that CerS3 has an impact on activated T cells. A decrease of different sphingolipids after T cell activation via CD2/3/28 activation beads and IL2 treatment was observed that was accompanied by an inhibition of Zap70 phosphorylation, an important protein of the TCR signalling. The impaired TCR signalling led to a diminished NFAT1 translocation into the nucleus which subsequently led to a reduced NFAT1- dependent TNFα release. Downregulation of CerS3 in primary CD4+ T cells, obtained from the blood of healthy volunteers, also showed a reduced release of pro-inflammatory cytokines after activation. This dissertation demonstrates a pivotal role for CerS3 in T cell function and highlights CerS3 as potential new target for T cell driven colitis.
Xylose, an abundant sugar fraction of lignocellulosic biomass, is a five-carbon skeleton molecule. Since decades, utilization of this sugar has gained much attention and has been in particular focus as a substrate for production of biofuels like ethanol by microbial hosts, including Saccharomyces cerevisiae. In this yeast, xylose is naturally not used as a carbon source, but its utilization could be achieved by metabolic engineering either via the oxidoreductive route or through the isomerase pathway. Both pathways share xylulose as a common intermediate that must be phosphorylated before entering the endogenous metabolism via the non-oxidative pentose phosphate pathway (noxPPP). Besides this, in some bacteria a non-phosphorylating oxidative pathway for xylose degradation exists, known as Weimberg pathway, where a molecule of xylose is converted by a series of enzymes - xylose dehydrogenase (XylB), xylonate dehydratase (XylD), 3-keto-2-deoxy-xylonate dehydratase (XylX) and α-ketoglutarate semialdehyde dehydrogenase (KsaD) - to form α-ketoglutarate (AKG). Besides having several useful properties as a product, AKG could also be used for cell growth as an intermediate of the tricarboxylic acid (TCA) cycle. One target of the present study is to establish a functional Weimberg pathway in S. cerevisiae. Previous studies have shown that this task is not trivial, for instance due to the toxicity of xylonate (the first metabolite of the pathway) and the involvement of an iron-sulfur cluster dependent enzyme, the D-xylonate dehydratase. The assembly of iron-sulfur clusters on a heterologous protein in yeast is known to be challenging.
To establish the Weimberg pathway in yeast, the genes xylB, xylD, and xylX were obtained from Caulobacter cresentus and ksaD was from Corynebacterium glutamicum. In a variant, the dehydratase xylD was replaced with orf41 from Arthrobacter nicotinovorans, which is believed to be independent of iron-sulfur clusters. Growth of yeast cells on xylose as a sole carbon source was expected as an indicator of a functional Weimberg pathway. However, the heterologous expression of the codon optimized genes was not sufficient to reach this goal. Due to the complexity of the interactions of the heterologous pathway with the endogenous cellular processes, it was assumed that potential limitations could be overcome by adaptive laboratory evolution, using xylose as a sole source of carbon. Increasing selection pressure was applied on a strain with Weimberg pathway genes integrated into the genome over several generations. As a variant of the evolutionary engineering approach, mutator strains were generated. For this, RAD27 and MSH2 genes were deleted, which are involved in nucleotide excision and mismatch repair mechanisms, respectively. Some of the resulting strains PRY24, PRY25, PRY27 and PRY28 were able grow in xylose as a sole carbon source after evolutionary engineering. As a control, a non-mutator strain PRY19 was also included. Strikingly, only the mutator strains were able to consume xylose as a sole carbon source, which shows the feasibility of the approach.
In addition to the mutator strain strategy, a further approach employed in the present study was the simultaneous expression of the Weimberg pathway in the cytosol and mitochondria. This was based on the reasoning that the iron-sulfur cluster biogenesis on XylD may be improved in the organelle and that the AKG is an intermediate of the TCA cycle. In the strain AHY02, all enzymes of the pathway were tagged with mitochondrial targeting signals in addition to a full cytosolically localized pathway. The localization of the mitochondrial variants was confirmed by fluorescence microscopy. Together with AHY02, CEN.PK2-1C wild type strain was also included as a control for evolution. When a selection pressure on xylose was applied, both strains - AHY02 and CEN.PK2-1C - were able to grow in the course of evolution. Deletion of the xylulokinase (XKS1) gene was found to be detrimental for both evolved strains in xylose-containing media. This suggests that the evolution of the endogenous oxidoreductive and noxPPP genes is responsible for growth of the evolved cells. For the evolved strain AHY02, it could also be possible that the Weimberg pathway genes supported to growth in addition to the oxidoreductive route. To elucidate the underlying molecular mechanisms, genome sequencing and reverse engineering approaches would be necessary in future.
In addition to screening for growth on xylose as a sole carbon source, a less stringent screening system was created to examine even a minor flux of xylose towards AKG. For this, all genes necessary for conversion of isocitrate to AKG where deleted, yielding a glutamate auxotrophic strain. In this system, the cells can grow on other carbon sources, whereas xylose is only provided as a source of AKG for the synthesis of glutamate...
A promising strategy to reduce the dependency from fossil fuels is to use the yeast Saccharomyces cerevisiae to bioconvert renewable non-food feedstocks or waste streams, like lignocellulosic biomass, into bioethanol and other valuable molecule blocks. Lignocellulosic feedstocks contain glucose and significant fractions of the pentoses xylose and arabinose in varying proportions depending on the biomass type. S. cerevisiae is an efficient glucose consumer, but it cannot metabolize xylose and arabinose naturally. Therefore, extensive research using recombinant DNA techniques has been conducted to introduce and improve the biochemical pathways necessary to utilize these non-physiological substrates. However, any functional pathway capable of metabolizing D xylose and L arabinose in S. cerevisiae requires the transport of these sugars across the plasma membrane. The endogenous sugar transport system of S. cerevisiae can conduct a limited uptake of D-xylose and L-arabinose; this uptake enables only basal growth when the enzymatic pathways are provided. For this reason, the uptake of D xylose and L-arabinose has been recognized as a limiting step for the efficient utilization of these non-physiological substrates.
Gal2, a member of the major facilitator superfamily, is one of the most studied hexose transporters in S. cerevisiae. Although its expression is repressed in the presence of glucose, it also transports this sugar with high affinity when constitutively expressed. Recent efforts to engineer yeast strains for the utilization of plant biomass have unraveled the ability of Gal2 to transport non-physiological substrates like xylose and arabinose, among others. Improving Gal2 kinetic and substrate specificity, particularly for pentoses, has become a crucial target in strain engineering. The main goal of this study is to improve the utilization of xylose and arabinose by increasing the cell permeability of these non physiological substrates through the engineering of the galactose permease Gal2.
GAL2 gene expression depends on galactose, which acts as an inducer; nevertheless, even in the presence of galactose, glucose act as a strict repressor; consequently, GAL2 gene is usually placed under the control of a constitutive promoter. However, the presence of glucose additionally triggers the Gal2 degradation, which is mediated by the covalent attachment of the small 76 amino acid protein ubiquitin (Ub) to the targeted transporter; in a multi-step process called ubiquitination.
Ubiquitination of hexose permeases involves the activation of the Ub molecule by the E1 Ub-activating enzyme using ATP; then, the activated Ub is transferred to a specific Ub-conjugating enzyme E2, which donates the Ub indirectly through a specific HECT E3 enzyme (Rsp5) to a lysine residue of the substrate, with the aid of an adaptor protein which recognizes the target (Rsp5-adaptor). Ubiquitinated permeases are sent by membrane invagination to early endosomes, where they encounter ESCRTs (endosomal sorting complex required for transport). The targeted permeases are sorted in intralumenal vesicles (ILV) inside of the endosome, which after several cycles, turns into a multivesicular body (MVB) that subsequently fuses with the vacuole to expose the protein content of the ILVs to lumenal hydrolases for degradation.
Gal2 contains 30 lysine residues that may accept the ubiquitin molecule, which targets its degradation. It is known that mono-ubiquitination by Rsp5 on multiple lysine residues is necessary to internalize Gal2 (Horak & Wolf, 2001). However, the authors did not identify the specific lysine residues involved in the ubiquitination processes. This study screened several Gal2 variants where lysine residues were mutated or removed from the protein sequence to discover which lysine residues are likely involved in ubiquitination and consequent turnover of the transporter. The results of the screening showed that mutation of the N terminal lysine residues 27, 37, and 44 to arginine (Gal23KR) produced a functional transporter that, when fused with GFP (Gal23KR_GFP), showed an exclusive localization at the plasma membrane in cells growing in galactose or glucose as a sole carbon source (Tamayo Rojas et al., 2021b).
This study furthermore evaluated upstream signals caused by phosphorylation which triggers ubiquitination and consequent turnover of the targeted protein; using similar screening approaches to assess the stabilization of Gal2 by lysine residue modifications, it was possible to identify that N terminal serine residues 32, 35, 39, 48, 53, and 55 are likely involved in the internalization of Gal2, since a Gal2 construct where all these serines were mutated to alanine residues and tagged with GFP (Gal26SA_GFP) exhibited practically complete localization at the plasma membrane in cells growing in galactose or glucose as a sole carbon source (Tamayo Rojas et al., 2021b)...