Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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Autism spectrum disorder (ASD) is a common neurodevelopmental disorder with a multifarious clinical presentation. Even though many genetic risk factors have been identified and studied in mouse models, the neurophysiological mechanisms underlying the autistic phenotype are still unclear. Based on the high rates of comorbidity with epilepsy, it was hypothesized that the balance between excitation and inhibition in neural circuits may be disrupted in autistic individuals.
In this dissertation, synaptic and network activity was measured in three different genetically modified mouse models that exhibit the characteristic behavioral abnormalities of the disorder: the Neurobeachin (Nbea) haploinsufficient mouse, the Neuroligin-3 (Nlgn3) knockout (KO) mouse, and the Neuroligin-4 (Nlgn4) KO mouse. Each of the affected proteins is involved in the formation and/or function of synapses in the central nervous system. Therefore, it was posited that the reduction or deletion of these proteins might alter the balance of excitatory to inhibitory synaptic transmission in individual neurons and in neural circuits. Extracellular recordings in the hippocampal dentate gyrus of anesthetized mice revealed that the excitation-inhibition (E-I) balance was reduced in Nbea haploinsufficient and Nlgn4 KO mice, but unchanged in Nlgn3 KO mice despite a reduction in excitatory synaptic transmission to dentate granule cells. Unexpectedly, the intrinsic excitability of dentate granule cells was altered in all three mouse models. These results imply that a homeostatic increase in the intrinsic excitability is able to compensate for the decreased excitatory transmission in Nlgn3 KO mice, whereas the decreased intrinsic excitability in the Nbea haploinsufficient and Nlgn4 KO mice leads to a reduction in the E-I balance. Taken together, these findings suggest that the influence of genetic factors on the E-I balance might be a potential common mechanism underlying the development of ASD.
Weltweit werden etwa 17% aller Infektionskrankheiten von Vektoren auf den Menschen übertragen. Dabei dienen meist blutsaugende Arthropoden wie Stechmücken, Zecken oder Sandfliegen als Überträger von Bakterien, Viren oder einzelligen Parasiten. Zur letzteren Gruppe gehört auch der protozoische Erreger der Chagas-Krankheit Trypanosoma cruzi. Er wird von hämatophagen Triatominae, einer Unterfamilie der Raubwanzen (Hemiptera: Reduviidae) während der Blutmahlzeit an einem infizierten Säugerwirt aufgenommen, durchläuft komplexe Entwicklungsschritte im intestinalen Trakt der triatominen Insekten und wird anschließend über den Fäzes und Urin der Wanzen abgegeben. Die Infektion des nächsten Wirts erfolgt dann durch das versehentliche Einreiben der Erreger in die Stichwunde oder auf Schleimhäute. Auch eine Infektion über die orale Aufnahme von kontaminierter Nahrung, Mutter-Kind-Infektionen und die Übertragung durch Blutkonserven und Organtransplantate sind möglich. Die Chagas‑Krankheit, oder auch Amerikanische Trypanosomiasis, ist insbesondere in Mittel- und Südamerika verbreitet und betrifft nach Schätzungen der WHO 6 bis 7 Millionen Menschen. Infolge von globaler Immigration und erhöhtem Reiseverkehr treten jedoch in den letzten Jahrzehnten auch vermehrt Fälle in Europa, den USA, Kanada und den westlichen Pazifikstaaten auf. Da dort bislang geeignete Vektoren fehlen, kommt es außerhalb des lateinamerikanischen Kontinents nicht zu vektorübertragenen Infektionen. Dies könnte sich jedoch im Zuge des Klimawandels und einer voranschreitenden Globalisierung ändern, sollte der Ausbreitung der Chagas-Krankheit eine Ausbreitung ihrer triatominen Vektoren folgen.
Inwieweit Triatominae unter heutigen Bedingungen klimatisch geeignete Habitate außerhalb des amerikanischen Kontinents finden, wurde innerhalb des ersten Projekts der vorliegenden Dissertation untersucht. Dazu wurde mit Hilfe der ökologischen Nischenmodellierung und Vorkommensdaten verschiedener vektorkompetenter Raubwanzenarten sowie klimatischer Umweltvariablen die klimatische Eignung verschiedenster Lebensräume modelliert und global projiziert. Es zeigte sich, dass insbesondere tropische und subtropische Gebiete Afrikas sowie Ost- und Südostasiens zwischen 21° nördlicher Breite und 24° südlicher Breite für viele triatomine Vektorarten geeignete Bedingungen aufweisen. Auffällig ist dabei insbesondere die Art Triatoma rubrofasciata, welche nachweislich bereits in Südchina, Vietnam und weiteren Ländern Afrikas und Asiens gefunden wurde. Die Modellierung
offenbarte, dass weitere ausgedehnte Teile der Küstenregionen Afrikas und Südostasiens als für T. rubrofasciata klimatisch geeignet angesehen werden müssen. Eine weitere Ausbreitung dieser Art ist demnach äußerst wahrscheinlich und stellt bislang das größte Risiko autochthon übertragener Chagas-Infektionen außerhalb des amerikanischen Kontinents dar. Es konnten außerdem zwei triatomine Arten identifiziert werden, namentlich T. infestans und T. sordida, welche in gemäßigten Klimazonen geeignete Habitate finden. Zu diesen gehören beispielsweise Neuseeland und Teile Australiens, aber auch südeuropäische Länder wie Spanien, Italien, Griechenland und Portugal. Da mit einer Ausweitung der klimatisch geeigneten Gebiete infolge des sich verändernden Klimas zu rechnen ist, wäre ein Monitoring der Vektoren, wie es bereits in Südchina etabliert ist, aber insbesondere die Einführung der Meldepflicht für Amerikanische Trypanosomiasis in diesen Regionen sinnvoll. Die Ergebnisse der Studie zeigen deutlich, dass die bisher vernachlässigte Tropenkrankheit Chagas nicht allein ein Problem des lateinamerikanischen Kontinents ist, sondern deren Erforschung vielmehr weltweit Beachtung finden sollte.
So konzentrierten sich die folgenden Forschungsprojekte der Promotion verstärkt auf die Mechanismen, welche die Entwicklung und Transmission des Parasiten und die Interaktion mit seinen Vektoren betreffen. Von besonderem Interesse waren dabei die ökologischen Prozesse, welche bei der Kolonisation des Darmtrakts der Vektoren durch T. cruzi ablaufen und essentiell für die Proliferation und damit die Übertragung des Parasiten sind. Eine entscheidende Rolle spielen dabei die mit dem Vektor assoziierten Mikroorganismen und ihre funktionellen Fähigkeiten – zusammengefasst als Mikrobiom bezeichnet. Dieses erfüllt wichtige physiologische Funktionen des Insekts und kann beispielsweise das Immunsystem und die Detoxifikation beeinflussen. Um die Veränderungen der organismischen Zusammensetzung und der funktionellen Kapazitäten, welche die Infektion mit dem Pathogen im Darmtrakt der Vektoren auslösen, zu untersuchen, wurde ein metagenomischer Shotgun Sequenzierungsansatz gewählt. Die daraus resultierenden Datensätze wurden anschließend bioinformatisch ausgewertet und auf ihre mikrobielle Zusammensetzung und metabolischen Fähigkeiten hin untersucht. Es zeigte sich zunächst, dass das Bakterium Rhodococcus rhodnii, welches lange als alleiniger echter Symbiont des untersuchten Vektors Rhodnius prolixus galt, in seiner Funktionalität nicht einzigartig im Mikrobiom des Insekts ist. ...
In Zeiten der globalen Klimaerwärmung und des Klimawandels werden Strategien zur Vermeidung, Reduzierung oder Wiederverwertung von CO2-Emissionen sowie die Abkehr von fossilen Energieträgern immer wichtiger. Aus diesem Grund finden Technologien zur Bindung, Speicherung und Wiederverwertung von CO2 immer größere Aufmerksamkeit und diverse chemische als auch biologische Ansätze werden verfolgt. Eine dieser Möglichkeiten umfasst die Reduktion von CO2 mit Hilfe von molekularem Wasserstoff. Im Prozess der direkten Hydrogenierung von CO2 zu Ameisensäure bzw. Formiat wird nicht nur CO2 gebunden, sondern ebenfalls H2 in flüssiger Form gespeichert. Die Ameisensäure weist gegenüber dem hochflüchtigen Wasserstoffgas verschiedene Vorteile auf und zählt zu der Gruppe der flüssigen, organischen Wasserstoffspeicherverbindungen. Daneben ist das Einsatzgebiet von Ameisensäure als Ausgangstoff für Chemikalien oder als mikrobielle Kohlenstoffquelle sehr vielseitig und die Verbindung erfreut sich zunehmenden Interesses.
Die Natur hält biologische Katalysatoren (Enzyme) für die Reduktion von CO2 bereit. Die Gruppe der obligat anaeroben, acetogenen Bakterien verwendet so genannte Formiatdehydrogenasen als CO2-Reduktasen, um CO2 im Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) der Bakterien fixieren zu können. Diese Enzyme katalysieren die reversible 2-Elektronen Reduktion von CO2 zu Ameisensäure. Kürzlich konnte aus den beiden Vertretern A. woodii (mesophil) und T. kivui (thermophil) ein neuartiger, cytoplasmatischer Enzymkomplex isoliert werden. Dieser Enzymkomplex koppelt die Reduktion von CO2 direkt an die Oxidation von H2 und wird deshalb als Wasserstoff-abhängige CO2-Reduktase bezeichnet (engl. hydrogen-dependent CO2 reductase, HDCR). Die HDCR katalysiert dabei die reversible Hydrogenierung von CO2 zu Formiat mit annähernd gleicher Kinetik und gleichen Umsatzraten. Die bei der CO2 Reduktion erreichten Umsatzraten übertrafen dabei bisherige chemische als auch biologische Katalysatoren um mehre Größenordnungen.
Im Hinblick auf die besonderen katalytischen Eigenschaften der HDCRs wurde in dieser Arbeit die biotechnologische Anwendbarkeit der Enzyme als Biokatalysatoren zur Speicherung und Sequestrierung von H2 und CO2 in Form von Ameisensäure untersucht. Im Speziellen wurde ein HDCR-basiertes Ganz-Zell-System für das thermophile Bakterium T. kivui entwickelt. Um eine Ganz-Zell basierte Umwandlung von H2 und CO2 zu Formiat zu gewährleisten, wurde zuvor die Weiterverwertung des Formiats zu Acetat im WLP gestoppt. Durch eine Reduktion des zellulären ATP-Gehalts konnte eine weitere Prozessierung des aus der HDCR-Reaktion gebildeten Formiats im Zellstoffwechsel des Bakteriums unterbunden werden. Die Formiatbildung aus H2 und CO2 wurde in Zellsuspensionen von T. kivui untersucht und charakterisiert. Hier zeigten T. kivui Zellen die höchste spezifische Formiatbildungsrate, die bis dato in der Literatur genannt wurde. Ebenfalls wurde in dieser Arbeit die Umwandlung von Synthesegas (H2 + CO2 und CO) und CO zu Formiat geprüft. Bioenergetisch entkoppelte und auf CO-adaptierte T. kivui Zellen konnten in der Tat Synthesegas exklusiv zu Formiat umsetzen. Um die CO-Verwertung zu Acetat und Formiat im Stoffwechsel der Rnf- (A. woodii) und Ech-Acetogenen (T. kivui) verstehen zu können, wurden Mutanten von Δhdcr, ΔcooS, ΔhydBA, Δrnf and Δech2 von A. woodii und T. kivui zur Hilfe genommen. In beiden Organismen war die CO-basierte Formiatbildung vom Vorhandensein eines funktionalen HDCR-Enzymkomplexes abhängig.
Für eine mögliche biotechnologische Anwendung wurde die Maßstabsvergrößerung des Ganz-Zell-Systems angestrebt und hin zum Bioreaktormaßstab mit kontrollierten Prozessbedingungen skaliert. Diese Arbeit demonstriert die effiziente Umwandlung von H2 und CO2 zu Formiat und vice versa unter Verwendung eines Rührkesselreaktors. Der Prozess zeigte eine Effizienz von 100% für die Umwandlung von CO2 zu Formiat und spezifische Raten von 48.3 mmol g-1 h-1 wurden von A. woodii Zellen erreicht. Die spezifische H2-Produktionsrate (qH2) aus der Ameisensäureoxidation betrug 27.6 mmol g-1 h-1 und mehr als 2.12 M Ameisensäure konnte über einen Zeitraum von 195 h oxidiert werden. Wichtige Parameter der Enzymkatalyse wie Wechselzahl (engl. turnover frequency, TOF) und katalytische Produktivität (engl. turnover number, TON) wurden ebenfalls im Versuch bestimmt. Basierend auf dem generierten Prozessverständnis und der effizienten Reversibilität der katalysierten Reaktionen wurde abschließend ein Ganz-Zell-basierter Bioreaktoraufbau gewählt, der die vielfache Speicherung und Freisetzung von H2 in einem einzigen Rührkesselreaktor und unter Verwendung des gleichen Katalysators ermöglicht. Über eine Prozesszeit von 2 Wochen und 15 CO2 Reduktions-/Formiat Oxidations-Zyklen konnte so im Mittel 330 mM Formiat produziert und oxidiert werden.
Zusammenfassend thematisiert diese Arbeit die biotechnologische Anwendbarkeit eines Ganz-Zell-Systems zur Speicherung und Sequestrierung von H2 und CO2 in Form von Formiat und vice versa. Die katalytische Aktivität der betrachteten Organismen fußt dabei auf der Aktivität eines neuartigen Enzymkomplexes, der erstmals in der Gruppe der acetogenen Bakterien entdeckt wurde. Der als Wasserstoff-abhängige CO2-Reduktase bezeichnete Enzymkomplex könnte die zukünftige Konzipierung Enzym-inspirierter und effizienter chemischer Katalysatoren vorantreiben. Auch der Einsatz des Enzyms/der Zellen in so genannten Hydrogelen oder die Etablierung elektrochemischer Prozesse sind vorstellbar. Diese Arbeit stellt somit eine Basis für mögliche zukünftige Anwendungen des etablierten Ganz-Zell-Systems von A. woodii und T. kivui im Bereich der Wasserstoffökonomie dar.
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.
With 5-10 newly diagnosed patients per 100,000 people every year, glioblastoma is the most common malignant primary brain tumor. Despite extensive research activity in the last decades, clinical effectiveness of the currently available therapy standard of surgery, radiochemotherapy and tumor-treating fields is still limited and mean survival rates in unselected collectives are only about one year. Accordingly, there is an urgent need to explore new therapeutic options. The current standard of care includes surgery followed by radiation therapy in combination with the alkylating chemotherapeutic agent Temozolomide. Even with successful initial therapy, tumor recurrence is still inevitable. Currently, there are no defined recommendations for clinical management of the disease in the event of tumor recurrence. Only 20-30% of patients qualify for a second surgical resection, while other options include retreatment with Temozolomide, CCNU (Lomustine) or Regorafenib and enrollment in a clinical trial.
The development of immunotherapies for glioblastoma, in particular, has been the focus of intense preclinical and clinical efforts. However, low numbers of mutations and a highly immunosuppressive tumor microenvironment result in glioblastoma being considered an immunologically “cold” tumor. Strategies successfully established in mutagen-induced tumors with antibodies directed against the PD-1, PD-L1 or CTLA-A4 immune checkpoints have therefore failed in glioblastoma.
Cellular immunotherapies based on chimeric antigen receptor (CAR)-technology have emerged as an alternative powerful option to tackle immunologically “cold” tumors. Several CAR-T cell products targeting glioma antigens have been developed and some evidence of clinical activity has been demonstrated. Natural killer (NK) cells as carriers of CAR constructs have several advantages over T cells, including a much lower risk of neurotoxicity and better interaction with immune cells in the microenvironment. Based on the human NK cell line NK-92, a clinical-grade product, suitable as an off-the-shelf therapeutic, has been developed. The NK-92/5.28.z clone (CAR-NK) expresses a CAR based on the HER2-specific antibody FRP5 in addition to signal-enhancing CD28 and CD3ζ domains. Similar to several other tumor entities, overexpression of the growth factor receptor HER2 is often found in glioblastoma patients. Because of its substantial role in the regulation of cell proliferation, survival, differentiation, angiogenesis and invasion, this receptor is classified as an oncogene. HER2 overexpression plays a major role in the malignant transformation of cells and its oncogenic potential has been studied in detail in breast cancer. However, HER2 expression was also found in up to 80% of glioblastomas, which correlates with an impaired probability of survival. Under physiological conditions, HER2 is not expressed in the adult central nervous system, making it a promising target antigen for glioblastoma immunotherapy.
In previous projects, it has already been shown that these CAR-NK cells exhibit a high and specific lytic activity towards HER2+ glioblastoma cells. While repetitive intratumoral injections of CAR-NK cells already significantly extended symptom-free survival in murine orthotopic xenograft models, CAR-NK cell therapy in immunocompetent mice promotes an endogenous anti-tumor immune response which improves tumor control and provides persisting anti-tumor immunity after therapy of early-stage tumors. However, in more advanced tumor models, efficacy is limited and induction of the checkpoint-molecule PD-L1 in response to CAR-NK-cell therapy was identified as a key mechanism of therapy resistance.
Immunotherapy employing the intravenous administration of checkpoint inhibitors has already revolutionized the treatment of various malignant diseases such as melanoma or lung cancer. In particular, the approach of cancer immunotherapy has focused on the systemic administration of antibodies directed against immune checkpoints such as PD-1, PD-L1 and CTLA-4. In glioblastoma, both tumor cells and microglia, the brain-resident macrophages, express PD-L1, which hinders the activation of CD8+ and CD4+ T cells. Therefore, immunotherapy directed against the PD-1/PD-L1 axis represents a promising approach for the treatment of glioblastoma. One problem, however, is the severe toxicity caused by the systemic effects of checkpoint inhibitors, since the immune response is stimulated not only in tumor tissue but also in healthy organs. Serious side effects such as colitis, hepatitis, pancreatitis or hypophysitis, including numerous deaths, have been reported.
This study aimed to improve the efficacy of CAR-NK cell therapy by combining it with adeno-associated virus (AAV)-mediated transfer of anti-PD-1 antibodies as a strategy to enable local combination therapy to control intracranial tumors.
AAVs carrying a payload coding for an anti-PD-1 immunoadhesin (aPD-1) retargeted to HER2-expressing cells by fusion of so-called Designed Ankyrin Repeat Proteins (DARPins) with a viral capsid protein were employed for this to focus checkpoint inhibitor therapy to the tumor area, resulting in high intratumoral and low systemic drug concentrations. ...
Sleep is one of the fundamental requirements of all animals from nematodes to humans. It appears in different formats with shared features such as reduced muscle activities and reduced responsiveness to the environment. Despite the long history of sleep research, why a brain must be taken offline for a large portion of each day remains unknown. Moreover, sleep research focused on mammals and birds reveals two stages, rapid-eye-movement (REM) and slow-wave (SW) sleep, alternating during sleep. Whether these two stages of sleep exist in other vertebrates, particularly reptiles, is debated, as is the evolution of sleep in general.
Recordings from the brain of a lizard, the Australian bearded dragon Pogona vitticeps, indicate the presence of two electrophysiological states and provides a better picture of their sleep. Local field potential (LFP) signals, head velocity, eye movements, and heart rate during sleep match the pattern of REM and SW sleep in mammals. The SW and REM sleep patterns that we observed in lizards oscillated continuously for 6 to 10 hours with a period of 80-100 seconds when the ambient temperature was ~27°C. Lizard SW dynamics closely resemble those observed in rodent hippocampal CA1, yet originated from a brain area, the dorsal ventricular ridge (DVR), that does not correspond anatomically or transcriptomically to the mammalian hippocampus. This finding pushes back the probable evolution of these dynamics to the emergence of amniotes, at least 300 million years ago.
Unlike mammals and birds, REM and SW sleep in lizards occupy an almost equal amount of time during sleep. The clock-like alternation between these two sleep states was found initially by measuring the power modulation of two frequency bands, delta and beta. I recorded the full-band LFP and found an infra-slow oscillation (ISO) in the frequency range between 5 and 20 milli-Hz during sleep. The magnitude of ISO increased during sleep and decreased during both wakefulness and arousal during sleep. The up- and down-states of ISO were synchronized with the sleep state alternating rhythm but with a significant time lag dependent on the locations of the recording electrodes. Multi-site LFP recordings indicated that this ISO is a putative propagation wave sweeping extremely slowly, 30-67 µm/sec, from the posterior-dorsal pole to the anterior-ventral pole of the DVR.
Previous studies in other animals showed that brainstem areas such as the locus coeruleus, laterodorsal tegmentum, and periaqueductal gray are involved in sleep states regulation. It is sadly impossible to carry out in vivo recordings in the lizard brainstem without severely affecting them and their quality of life. I thus carried out ex vivo recordings in both DVR and brainstem. Pharmacological stimulation of the brainstem could reversibly silence one distinct EEG pattern characteristic of SW sleep, the sharp-wave and ripple complex, in DVR. An ISO could be recorded simultaneously in both DVR and brainstem. From data collected in both intact and split ex vivo brains, I concluded that there are independent ISO generators in at least two areas, the brainstem and the telencephalon. Their signals may normally be synchronized by long-range connections. The DVR ISO leads the brainstem ISO by ~29 sec. Optogenetic stimulation of brainstem neurons was able to disrupt the ISO in DVR reversibly.
In conclusion, the lizard brain offers a relatively simple model system to study sleep. Despite a diversity of results in different lizard species, my results revealed a number of new findings. Relevant for sleep research in general: 1) REM and SW sleep exist in a reptile. Since they also exist in birds and mammals, they probably existed in their common amniote ancestor, if not earlier. 2) REM and SW occupy equal amounts of time during sleep (50% duty cycle), a unique feature among all described sleep electrophysiological patterns, suggesting the possible existence of a simple central pattern generator of sleep, possibly ancestral. 3) I discovered the existence, in the local field potential, of an infra slow oscillation with extremely slow propagation, locked to the SW-REM alternating rhythm. The causes and mechanisms of this ISO remain to be understood. To my knowledge, the correlation between sleep states and a slow rhythm has only been reported in human scalp EEG recordings so far.
Thermoanaerobacter kivui ist ein thermophiles acetogenes Bakterium, das chemolithoautotroph auf CO2 unter Verwendung von molekularem H2 als Elektronendonor wächst und Acetat als Produkt über den Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) bildet. Im WLP werden 2 Mol CO2 reduziert, um ein Mol Acetyl-CoA zu bilden. Erste Studien wurden durchgeführt, um die Physiologie von T. kivui zu verstehen. T. kivui wächst autotroph auf H2 + CO2 und nach Adaptation auch auf CO oder Syngas. T. kivui wächst ebenfalls auch in Minimalmedium ohne weitere Zugabe von Vitaminen, was es zu einem Biokatalysator mit hohem Potenzial für die Produktion von Chemikalien mit hohem Mehrwert macht. Heterotroph wächst T. kivui auf Glucose, Fructose, Mannose, Pyruvat oder Formiat. Kürzlich wurde beschrieben, dass T. kivui in der Lage ist, auf dem Zuckeralkohol Mannitol in Gegenwart und Abwesenheit von HCO3- (oder externem CO2) zu wachsen. Allerdings war das Wachstum in Abwesenheit von externem CO2 deutlich verlangsamt. Daher wurde in dieser Studie getestet, ob eine Zugabe von externem Formiat das "fehlende" CO2 kompensieren kann. In Kombination mit Formiat wurde das Wachstum auf Mannitol in CO2 und HCO3- freien definierten Medien bis zu einer maximalen OD600 von 2,34 und mit einer Verdopplungszeit von 2,0 ± 0,0 stimuliert, was dem Wachstumsverhalten auf Mannitol in Anwesenheit von CO2/HCO3- entsprach. In Abwesenheit von Formiat (oder CO2) erreichte T. kivui nur eine endgültige optische Dichte von bis zu 0,7 mit einer verlängerten Verdoppelungszeit von 5,2 ± 0,2 Stunden. Dieses Experiment zeigte die höhe metabolische Flexibilität von T. kivui durch die Nutzung von Formiat als Elektronenakzeptor, wenn kein oder nur wenig CO2 vorhanden ist.
Genomanalysen ergaben, dass T. kivui ein Trehalose- und Maltose-Transportsystem-Permeaseprotein (MalF) besitzt. Darüber hinaus verfügt T. kivui über Trehalose- und Maltosehydrolase-Gene, die als Kojibiose-Phosphorylase annotiert sind. Obwohl in der Originalveröffentlichung beschrieben wurde, dass der Organismus nicht auf Maltose oder Trehalose wachsen kann, konnte T. kivui im Laufe dieser Arbeit an das Wachstum auf Maltose und Trehalose adaptiert werden. Nach dem Transfer von einer Glukose-Vorkultur auf ein Medium mit 25 mM Maltose oder 25 mM Trehalose als alleinige C-Quelle wurde kein Wachstum erzielt. Bei Verwendung der gleichen Vorkultur in einem Medium mit höherer Konzentration (50 mM) Maltose oder Trehalose, begannen die Zellen zu wachsen. Bei Verwendung dieser adaptierten kulturen als Vorkultur wuchsen die Zellen in Gegenwart von in 25 mM Maltose oder Trehalose bis zu einer maximalen OD600 von 1,12 bzw. 0,73. Die Adaptation hing mit der Tatsache zusammen, dass der Organismus eine höhere Konzentration benötigt, um sich an diese Kohlenstoffquellen zu gewöhnen. Durch diese Daten wird das heterotrophe Potenzial von T. kivui erhöht.
Um die Bedeutung der wasserstoffabhängigen Kohlendioxidreduktase (HDCR) während des Wachstums auf Formiat oder auf H2 + CO2 im Stoffwechsel von T. kivui zu verstehen, wurden Studien auf molekularer Ebene durchgeführt. Die HDCR nutzt H2 direkt für die Reduktion von CO2 zu Formiat im ersten Schritt des Wood-Ljungdahl-Wegs (WLP). Um die Rolle der HDCR in dieser Reaktion zu untersuchen, wurde das hdcr-Gencluster mit Hilfe des kürzlich entwickelten Mutagenesytems für T. kivui deletiert. In Wachstumstudien konnte anschliessend gezeigt werden, dass die ߡhdcr-Deletionsmutante nicht mehr auf Formiat oder H2 + CO2 als alleiniger Kohlenstoffquelle wachsen konnte. Nach Komplementation der Mutante mit dem hdcr-Gene in cis wuchsen die Kulture wieder auf Formiat oder H2 + CO2. Diese Experimente zeigten, dass die HDCR für das Wachstum auf H2 + CO2 oder Formiat essentiell ist. Interessanterweise konnte in der ߡhdcr-Mutante ebenfalls ein verändertes Wachstum auf Glukose als alleiniger C-Quelle festgestellt werden. Die T. kivui ߡhdcr-Mutante wuchs nur bis zu einer OD600 von 0,2, während der Wildtyp und der hdcr-komplementierte Stamm bis zu einer OD600 von 2,64 bzw. 2,4 wuchsen. Damit wurde bewiesen, dass die HDCR auch für die vollständige Glukoseoxidation in T. kivui erforderlich ist. Durch die Zugabe von Formiat wurde das Wachstum vollständig wiederhergestellt, ähnlich wie beim Wildtyp. Dies belegt wieder die Nutzung Formiat als terminalen Elektronenakzeptor. Auch auf Mannitol oder Pyruvat konnte die Mutanten nur in Gegenwart von Formiat wachsen. Der Substratverbrauch und die Produktbildung der T. kivui ߡhdcr-Mutante wurden in einem Zellsuspensionsexperiment untersucht. Die Zellen verbrauchten Formiat nur in Gegenwart von Glukose und produzierten Acetat mit einem Acetat/Substrat-Verhältnis von etwas mehr als 3,0, während die Acetatproduktion nur 12 mM betrug, wenn Glukose als alleiniges Substrat verwendet wurde. Diese Ergebnisse zeigen eine enge Kopplung der Oxidation von Multikohlenstoffsubstraten an den WLP.
T. kivui ist eines der wenigen Acetogenen, die CO als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen können. ...
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.
Die Studien im Rahmen dieser Arbeit wurden am Modellorganismus Anabaena sp. PCC 7120 (Anabaena) durchgeführt, einem filamentösen Süßwasser-Cyanobakterium. Cyanobakterien sind photosynthetische, Gram-negative Organismen. Sie besitzen eine das Zytosol begrenzende Plasmamembran und eine Äußere Membran. TonB-abhängige Transporter (TBDTs) und Porine der Äußeren Membran bewerkstelligen und regulieren die Aufnahme von Nährstoffen. Typischerweise wenig abundante Substrate für den TBDT-vermittelten, aktiven Transport sind beispielsweise eisenhaltige Siderophore oder VitaminB12. Kleinere gelöste und abundante Stoffe wie Salze oder andere Ionen gelangen hingegen passiv durch Porine in das Periplasma.
In Anabaena wurden neun putative Porine identifiziert. Sieben hiervon wiesen eine porinspezifische Domänenstruktur auf (Alr0834, Alr2231, All4499, Alr4550, Alr4741, All5191 und All7614), und wurden im Rahmen dieser Arbeit näher betrachtet. Die Expression dieser sieben Gene wurde vergleichend untersucht, nachdem der Wildtyp in Standardmedium oder in Medium indem jeweils Mangan, Eisen, Kupfer oder Zink fehlte angezogen wurde. Außerdem wurde das Wachstum der einzelnen Porinmutanten im Vergleich zum Wildtyp auf Festmedium mit hohen Konzentrationen von Salzen, Antibiotika oder anderen Stoffen analysiert. Hierbei konnten den einzelnen Mutanten teilweise spezifische phänotypische Eigenschaften zugeschrieben werden. Zusammengefasst kann anhand der Analysenergebnisse vermutet werden, dass Alr4550 eine besondere Rolle in der Wahrung der Zellhüllenstabilität oder -integrität spielt, wohingegen das Fehlen von Alr5191 auf unbekannte Weise die Fixierung von Stickstoff zu erschweren scheint. Die alr2231-Mutante zeigte eine Resistenz gegenüber hohen Zinkkonzentrationen, was die Vermutung zulässt, dass Zink ein Substrat von Alr2231 darstellt. Für weitere Porine kann ebenfalls ein Zusammenhang zum Transport von Kupfer oder Mangan vermutet werden.
Neben Porinen wurden ebenfalls TonB-ähnliche Proteine in Anabaena untersucht. TonB ist ein plasmamembranständiges Protein, das in Komplex mit ExbB und ExbD die Energie für Transportprozesse über die Äußere Membran bereitstellt. Hierfür bindet TonB C-terminal an TBDTs und induziert dort Strukturänderungen, welche den Substratimport ins Periplasma ermöglichen. Als Energiequelle wird der Protonengradient genutzt, der über die Plasmamembran besteht. In Anabaena wurden vier putative TonB Proteine identifiziert, die sich jeweils in Länge und Domänenstruktur unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch Substrattransport-Experimente und Wachstumsanalysen gezeigt werden, dass TonB3 an der Aufnahme zweier Siderophore (Schizokinen und dem Xenosiderophor Ferrichrom) beteiligt ist, da die entsprechende Mutante sich als unfähig erwies diese zu als Eisenquelle nutzbar zu machen. Daneben wies TonB3 weitere Merkmale auf, die auch TonB-Proteinen anderer Organismen zugeschrieben wurden (Wachstumsdefizit der Mutante unter Eisenmangel, eisenabhängiges Expressionsprofil). Interessanterweise zeigte sich, dass das Siderophor Ferrichrom ebenfalls nicht als Eisenquelle für die tonB4-Mutante zur Verfügung stand, was zum Beispiel auf eine Beteiligung von TonB4 an dessen Transport hinweisen könnte.
TonB1, welches sich durch ein inkomplettes TBDT-Interaktionsmotiv auszeichnet, und TonB2 konnte keine Beteiligung am Siderophoretransport zugeschrieben werden, jedoch zeigten Mutanten der einzelnen Gene spezifische phänotypische Eigenschaften. Die tonB1-Mutante stach hervor durch ein vergleichsweise stark verzögertes Wachstum unter diazotrophen Bedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Nitrogenaseaktivität als auch die expression vermindert war im tonB1-Mutantenstamm. Außerdem zeigten die Heterozysten dieser Mutante, die auf die Stickstoffixierung spezialisierten Zellen, eine abnormale Morphologie. Da die Expression von tonB1 jedoch nach dem Überführen von Wildypzellen in stickstoffreies Medium nicht erhöht war, kann eine direkte Beteiligung von TonB1 an der Heterozystendifferenzierung als unwahrscheinlich betrachtet werden. Die Zelleinschnürungen zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen waren in I-tonB1 weniger ausgeprägt als im Wildtyp, was durch eine Anfärbung der Zellwand mit einem Fluoreszenzmarker gezeigt werden konnte. Ebenfalls konnte anhand des fluoreszierenden Markers Calcein gezeigt werden, dass die molekulare Diffusionsgeschwindigkeit zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen, und auch zwischen zwei benachbarten vegetativen Zellen, in der tonB1-Mutante erhöht ist. Deswegen kann hier vermutlich vermehrt die Nitrogenase schädigender Sauerstoff in Heterozysten eindringen. Die aufgezählten Ergebnisse deuten auf eine Funktion von SjdR im Aufbau der Septumsstrukturen hin, beispielsweise durch Regulation der Peptidoglykansynthese oder -verteilung, weswegen TonB1 umbenannt wurde in SjdR (Septal junction disc regulator).
Die Untersuchung der tonB2-Mutante zeigte bei dieser eine veränderte Pigmentierung, eine vermehrte Lipopolysaccharidproduktion und Filamentaggregation sowie eine erhöhte Resistenz gegenüber bestimmten Antibiotika oder Detergenzien. Letzteres könnte auf die ebenfalls in der tonB2-Mutante beobachtete verringerte Porinexpression zurückgeführt werden. Es wurde außerdem eine vermehrte Anreicherung von Kupfer und Molybdän in der Mutante gemessen, was ein Grund für die Veränderte Pigmentierung sein könnte und ebenfalls die Porinexpression beeinflussen könnte. Insgesamt scheint sich das Fehlen von TonB2 auf die Integrität der Äußeren Membran auszuwirken. Daher kann für TonB2, eine Funktion in Anlehnung an das Tol-system vermutet werden.
In recent years, several neuronal differentiation protocols were published that circumvent the requirement of embryoid body (EB) formation under serum-deprivation and simplified medium conditions. But a neuronal default model to establish an approach that works efficiently for all pluripotent cells and neuronal precursors is still lacking. Whether such a default neural mechanism exist and how this is implemented across a broad spectrum of cell source, is addressed in several studies and still controversially discussed. It was proposed that the default neuronal fate is initiated in the absence of extrinsic signals and is achieved by eliminating extracellular inhibitors of neuroectodermal fate and suppressing cell-cell signalling through limited cell density. Previous studies reported that ESC and ECC grown at low density and in absence of exogenous factors or feeder layers die within 24 h but acquire a neural identity as indicated by expression of the neural marker Nestin. Thus, this application is not suitable for generating neural cultures. Furthermore, it was reported that P19 cells survive and express neuroectodermal marker genes in serum-free DMEM/F12 medium containing transferrin, insulin, and selenite, although no neurites were identified.
Based on this background, in this study, a novel approach to induce neuronal differentiation in vitro was developed that implements a nutrient-poor environment, which, in contrast to previous studies, ensures the survival of neuronally differentiated cells over a long period of time and allows normal formation of neurites. Neither the formation of free-floating aggregates nor supplementation of growth factors or known inducers was required to establish a reliable neuronal differentiation protocol. A simple medium, consisting of DMEM/F12+N2 that was highly diluted in salt solution, was sufficient to drive a fast neuronal differentiation in monolayer cultures. Serum deprivation and strong dilution of DMEM/F12+N2 medium cause a nutrient-poor environment in which the influence of growth factors and inducers is minimized. This medium creates a metabolically defined environment that is presumably free of extrinsic signals that prevent the decision of neuronal fate. Analysis of the medium components discovered no actual inducer. Hence, it was suggested that the metabolic composition of the medium exclusively covers specific cell requirements of neurons, therefore ensures their survival, and drives the switch from pluripotent cells to neurons. The self-developed method was established by usage of the murine embryonal carcinoma cell line P19 and could be transferred to murine ESC. Consequently, the method could provide a feasible protocol for a generally valid neuronal default model.
The established protocol provides several advantages such as the possibility to generate stable pure neuronal cultures by a fast, simple, and highly reproducible one-step induction under defined medium conditions with a minimum of exogen effectors. The method is characterised by clear and steady medium conditions that makes the investigation of specific cell requirements during differentiation accessible. It is therefore expected to be a useful tool to investigate the molecular basis of neuronal differentiation as well as for high throughput screenings. The phenotype of mature postmitotic neurons was arising within one week and cultures were shown to stay stable at least for three weeks. The neuronal identity was confirmed by expression of neuronal markers through immunofluorescence staining and mass spectrometry analysis. Furthermore, increased levels of axon markers were detected in early neuronal differentiation and functionality of the synapses of the P19-derived neurons was ascertained by detection of calcium activity. Axonal laser ablation, immediately followed by fast regrowth of connections in the neuronal network, revealed a strong regeneration potential under the given conditions. Furthermore, the generated neurons showed a morphologically distinct phenotype and the formation of neural rosettes. Immunofluorescence staining demonstrated the generation of pure and homogeneous neuronal cultures, free of glial cells.
Retinoic acid (RA) plays an essential role in cell signalling during embryogenesis and efficiently induces neuronal differentiation in vitro in a concentration dependent manner. Neither retinol nor retinoic acid was included in any of the components of the self-prepared medium in this work. However, I observed, dependence on RARβ- and/or RARγ-regulated RA signalling in serum-free monolayer cultures. Nevertheless, neuronal differentiation in serum-free monolayer cultures was assumed to be RARα-independent because (i) RARα was slightly downregulated after neuronal induction, (ii) the truncated RARα of the RAC65 mutant had no effect on induction efficiency, and (iii) a pan-RAR inhibitor suppressed neuronal differentiation. In contrast to serum-free monolayer cultures, the truncated RARα prevented neuronal differentiation by application of the conventional protocol where cells are grown in free floating cell aggregates in serum-containing medium. Proteome analysis of P19 cells, treated by the self-developed differentiation protocol over five days showed increased levels of cellular RA binding proteins that mediate the cellular RA transport and are involved in canonical as well as non-canonical RA signalling.
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