Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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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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1. Das Wachstum und die Fähigkeit zur Butyratproduktion von E. callanderi KIST612 wurde in geschlossenen Batch-Kulturen mit den Substraten Glukose, Methanol, Formiat, H2 + CO2 und CO untersucht. E. callanderi KIST612 zeigte sich nur bei Wachstum auf 20 mM Glukose oder 20 mM Methanol in der Lage, Butyrat in größeren Mengen (3,7 – 4,3 mM) zu produzieren. Das Hauptprodukt bei allen untersuchten Wachstumssubstraten war jedoch Acetat.
2. In bioinformatischen Analysen des Genoms von E. callanderi KIST612 konnte nur eine A1AO-ATP-Synthase gefunden werden, welche eine V-typ c-Untereinheit bestehend aus 4 TMH‘s mit nur einer Na+-Bindestelle aufweist. Diese konnte aus gewaschenen Membranen von E. callanderi durch Saccharose-Dichtegradientenzentrifugation, Anionenaustausch-Chromatographie (DEAE) sowie einer Größenausschluss-Chromatographie (Superose 6) bis zur apparenten Homogenität gereinigt werden. Nach Produktion einzelner Untereinheiten (A, B, C, D, E, F und H) in E. coli und Generierung von Antikörpern, konnten alle Untereinheiten (A, B, C, D, E, F, H, a sowie c) in der gereinigten Enzympräparation immunologisch oder mittels „Peptide-Mass-Fingerprinting“ nachgewiesen werden. Es konnte somit erstmals eine A1AO-ATP-Synthase aus einem mesophilen Organismus ohne Verlust von Untereinheiten gereinigt werden.
3. Der Gesamtkomplex wies unter nativen Bedingungen eine molekulare Masse von ca. 670 kDa auf. In elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigte sich anhand der hantelförmigen Strukturen, dass die A1AO-ATP-Synthase als intakter Gesamtkomplex gereinigt werden konnte.
4. Die gereinigte A1AO-ATP-Synthase wurde zunächst anhand ihrer ATP-Hydrolyse-Aktivität biochemisch charakterisiert. Die ATP-Hydrolyse-Aktivität hatte ein pH-Optimum von 7 – 7,5 und ein Temperaturoptimum bei 37 °C. Durch Messung der ATPase-Aktivität in Abhängigkeit von verschiedenen Mengen an Na+ konnte die vorhergesagte Na+-Abhängigkeit des Enzyms nachgewiesen werden. Zudem zeigten Hemmstoffexperimente mit DCCD, dass dieser Inhibitor mit Na+ um die gemeinsame Bindestelle in der c-Untereinheit konkurriert. Dies bestätigte nochmals, dass das Enzym funktionell gekoppelt gereinigt werden konnte.
5. Zur weiteren Untersuchung der Ionenspezifität wurde der an die ATP-Hydrolyse gekoppelte Ionentransport durch Rekonstitution des Enzyms in Liposomen und anschließender Messung des Na+- oder H+-Transports gemessen. In den Proteoliposomen konnte mit Hilfe von 22Na+ gezeigt werden, dass das Enzym Natriumionen translozieren kann. Während in Anwesenheit des Natriumionophors ETH 2120 kein 22Na+-Transport beobachtet werden konnte, führte die Anwesenheit des Protonophors TCS zu einer geringfügigen Stimulation der 22Na+-Translokation. Insgesamt konnte ein primärer Na+-Transport nachgewiesen werden, welcher von der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi katalysiert wird.
6. Durch Rekonstitution der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi in Liposomen konnte erstmals biochemisch nachgewiesen werden, dass ein solches Enzym trotz seiner V-Typ c-Untereinheit in der Lage ist, ATP zu synthetisieren. Durch die Zugabe von Ionophoren (ETH 2120 und TCS) konnte der elektrochemische Ionengradient aufgehoben werden, wodurch keine ATP-Synthese beobachtet werden konnte. Der erstmalige Nachweis der ATP-Synthese wurde bei einem ΔµNa+ von 270 mV erbracht.
7. Die ATP-Synthese zeigte sich ebenfalls abhängig von der Na+-Konzentration. Der KM-Wert lag bei 1,1 ± 0,4 mM und war vergleichbar mit dem für die ATP-Hydrolyse ermittelten Wert. Ebenso konnte für die ATP-Synthese-Richtung gezeigt werden, dass DCCD mit Na+ um die gemeinsame Bindestelle in der c-Untereinheit konkurriert.
8. Um den biochemischen Nachweis zu erbringen, dass die A1AO-ATP-Synthase auch unter physiologisch relevanten Potentialen zur ATP-Synthese befähigt ist, wurde der energetische Schwellenwert der ATP-Synthese bestimmt. Dieser betrug 87 mV als Triebkraft für ΔpNa, 94 mV als Triebkraft für Δψ und 90 mV als Triebkraft für ΔµNa+. Erstaunlicherweise konnte die ATP-Synthese der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi KIST612 sowohl durch Δψ als auch ΔpNa angetrieben werden. Unterschiedliche Kombinationen von Δψ und ΔpNa führten zu dem gleichen energetischen Schwellenwert; Δψ und ΔpNa waren im Enzym aus E. callanderi KIST612 äquivalente Triebkräfte.
9. Der energetische Schwellenwert der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi KIST612 wurde mit dem der F1FO-ATP-Synthasen aus A. woodii, E. coli und P. modestum verglichen. Dazu wurden die Enzyme im ATP-Synthase-defizienten E. coli-Stamm DK8 produziert und anschließend durch Ni2+-NTA-Affinitätschromatographie gereinigt. Nach Einbau der Enzyme in Liposomen waren alle Enzyme in der Lage, ATP als Reaktion auf ΔµNa+ (A. woodii und P. modestum) oder ΔµH+ (E. coli) zu synthetisieren. Im Vergleich zum Enzym aus E. callanderi zeigten sich zwei auffällige Unterschiede. Erstens war keine der F1FO-ATP-Synthasen in der Lage, ΔpNa/ΔpH als alleinige Triebkraft zu nutzen. Während die ATP-Synthese in den Enzymen aus E. coli und P. modestum nur durch ΔµH+ bzw. ΔµNa+ angetrieben werden konnte, konnte das Enzym aus A. woodii zusätzlich auch durch Δψ als einzige Triebkraft angetrieben werden.
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This work comprises the investigation of four different biosynthesis gene clusters from Xenorhabdus. Xenorhabdus is an entomopathogenic bacterium that lives in mutualistic symbiosis with its Steinernema nematode host and together they infect and kill insect larvae. Xenorhabdus is well known for the production of so-called specialised metabolites and many of these compounds are synthesised by non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) or NRPS-polyketide synthase (PKS)-hybrids. These enzymes are organised in a modular manner and produce structurally very diverse molecules, often with the help of modifying domains and tailoring enzymes. In general, the genes involved in the biosynthesis are organised in so-called biosynthetic gene clusters (BGCs) in the genome of the producing strain. Exchanging the native promoter with an inducible promoter, e.g. PBAD, allows the targeted activation of the BGC and in turn the analysis of the biosynthesis product via LC-MS analysis.
The first BGC investigated in this work is responsible for the biosynthesis of xenofuranones. Based on gene deletions, this work shows that the NRPS-like enzyme XfsA produces a carboxylated furanone intermediate which is subsequently decarboxylated by XfsB to yield xenofuranone B. The next step in xenofuranone biosynthesis is the O-methylation of xenofuranone B to yield xenofuranone A. A comparative proteomics approach allowed the identification of four methyltransferase candidates and subsequent gene deletions confirmed one of the candidates to be responsible for methylation of xenofuranone B. The proteome analysis was based on the comparison of X. szentirmaii WT and X. szentirmaii Δhfq because distinct levels of the methylated xenofuranone A were observed when the xfs BGC was activated in either WT or Δhfq strain. Hfq is a global transcriptional regulator whose deletion is associated with the down regulation of natural product biosynthesis in Xenorhabdus. The strong PBAD activation of the xfs BGC also allowed the detection of two novel xenofuranone derivatives which arise from incorporation of one 4-hydroxyphenylpyruvic acid as first or second building block, respectively.
PBAD based activation of the second BGC addressed in this work lead to the detection of a novel metabolite and compound purification allowed NMR-based structure elucidation. The molecule exhibits two pyrrolizidine moieties and was named pyrrolizwilline (pyrrolizidine + twin (German: “Zwilling”)). The BGC comprises seven genes and single gene deletions as well as heterologous expression in E. coli and NRPS engineering were conducted to investigate the biosynthesis. The first two genes xhpA and xhpB encode a bimodular NRPS and a monooxygenase which synthesise a pyrrolizixenamide-like structure, similar to PxaA and PxaB in pyrrolizixenamide biosynthesis. It is suggested that the acyl side chain incorporated by XhpA is removed by the α,β-hydrolase XhpG. The keto function is then reduced by two subsequent two electron reductions catalysed by XhpC and XhpD. One of these two reduced pyrrolizidine units most likely is extended with glyoxalate prior to non-enzymatic dimerisation with the second pyrrolizidine moiety. To finally yield pyrrolizwilline, L-valine is incorporated, probably by the free-standing condensation domain XhpF.
The third BGC investigated is responsible for the production of a tripeptide composed of β-D-homoserine, α-hydroxyglycine and L-valine and is referred to as glyoxpeptide. This work demonstrates that the previously observed glyoxpeptide derivative is derived from glycerol present in the culture medium. Furthermore, this work shows that the monooxygenase domain, which is found in an unusual position between motifs A8 and A9 within the adenylation domain, is responsible for the α-hydroxylation of glycine. It is suggested that the α-hydroxylation of glycine renders the tripeptide prone to hydrolysis via hemiacetal formation. Hence, the XgsC_MonoOx domain might be an interesting candidate for further NRPS engineering.
The fourth BGC addressed is responsible for the production of xildivalines and this work describes two additional derivatives which are detected only when the promoter is exchanged and activated in the X. hominickii WT strain but not in X. hominickii Δhfq. Deletion of the methyltransferase encoding gene xisE results in the production of non-methylated xildivalines. It remains to be determined when the N-methylation of L-valine takes place. It is discussed that the methyltransferase could act on the NRPS released product but also during the assembly. The peptide deformylase is not involved in the proposed biosynthesis as xildivaline production is detected in a ΔxisD strain. The PKS XisB features two adjacent, so-called tandem T domains. The inactivation of the first or the second T domain by point mutation causes decreased production titres of detected xildivalines in the respective mutant strain when compared to the wild type.
Clean water is fundamental to human health and ecosystem integrity. However, water quality deteriorates due to novel anthropogenic pollutants present at microgram per liter concentrations in urban water cycles (termed micropollutants). Wastewater treatment plants (WWTP) have been identified as major point sources for aquatic (micro-)pollutants. Chemical and ecotoxicological analyses have shown that conventional biological WWTPs do not fully remove micropollutants and associated toxicities, which is often because of mobile, polar and/or recalcitrant compounds and transformation products (TPs). To minimize possible environmental risks, advanced wastewater treatment (AWWT) technologies could be a promising mitigation measure. Multiple processes are therefore being developed and evaluated such as ozonation and ozonation followed by granulated activated carbon (GAC) or biological filtration. Assessing the performance of these combined AWWTs was the focus the TransRisk project. Within this project, this thesis accomplished four major goals.
Firstly, the preparation of (waste)water samples was optimised for in vitro bioassays. Acidification, filtration and solid phase extraction (SPE) were tested for their impact on environmentally relevant in vitro endocrine activities, mutagenicity, genotoxicity and cytotoxicity. Significantly different outcomes of these assays were detected comparing neutral and acidified samples. Sample filtration had a lesser impact, but in some cases retention of particle-bound compounds could have caused significant toxicity losses. Out of three SPE sorbents the Telos C18/ENV at sample pH 2.5 extracted highest toxicity, some undetected in aqueous samples. These results indicate that sample preparation needs to be optimised for specific sample matrices and bioassays to avoid false-positive or -negative detects in effect-based analyses.
Secondly, the above listed in vitro toxicities were monitored in a protected region for drinking water production in South-West Germany (2012-2015). Out of 30 sampling sites surface water and groundwater were the least polluted. Nonetheless, a few groundwater samples induced high anti-estrogenic activity that prompted further monitoring. The latter included a waterworks in which no toxicity was detected. Hospital wastewater also had elevated in vitro toxicities and hospitals are, thus, relevant intervention points for source control. The biological WWTPs were effective in removing most of the detected toxicity, and the selected bioassays proved to be pertinent tools for water quality assessment and prioritisation of pollution hotspots.
Thirdly, the in vivo bioassay ISO10872 based on Caenorhabditis elegans (C. elegans) was adapted for this thesis. Using this model, a median effect concentration (EC50) for reproductive toxicity of the polycyclic aromatic hydrocarbon β-naphthoflavone (β- NF) of 114 µg/L was computed which is slightly lower than reported in the scientific literature. β-NF induced cyp-35A3::GFP (a biomarker in transgenic animals) in a time and concentration dependent manner (≤ 21.3–24 fold above controls). β-NF spiked wastewater samples supported earlier hypotheses on particle-bound pollutants. Reproductive toxicity (96 h) and cyp-35A3 induction (24 h) of biologically treated and/or ozonated wastewater extracts and growth promoting effects of GAC/biologically filtered ozonated wastewater extracts were observed. This suggested the presence of residual bioactive/toxic chemicals not included in the targeted chemical analysis. It also highlighted the importance of integrating multiple (apical and molecular) endpoints in wastewater assessments.
Fourthly, five in vitro and the adapted C. elegans bioassay were integrated into a wastewater quality evaluation (developed within TransRisk). Out of the five AWWT options, ozonation (at 1 g O3,applied/g DOC, HRT ~ 18 min) combined with nonaerated GAC filtration was rated most effective for toxicity removal. All five AWWTs largely removed estrogenic and (anti-)androgenic activities, but not anti-estrogenic activity and mutagenicity, which even increased during ozonation. This has been observed in related studies and points towards toxic TPs. These results also emphasized the need for implementing an effective post-treatment for ozonation. The results from a parallel in vivo study with Lumbriculus variegatus and Potamopyrgus antipodarum conducted on site at the WWTP (using flow through systems) were in accordance with the C. elegans results. In this context, it is suggested to further implement C. elegans as sensitive, feasible and ecologically relevant model.
In conclusion, this thesis shows how optimised sample preparation, long-term (in vitro) environmental monitoring, sensitive and ecologically relevant (in vivo) bioassays as well as innovative evaluation concepts, are pivotal in improving the removal of micropollutants and their toxicities with AWWTs. Future research should further develop and evaluate measures at sewer systems, conventional biological, tertiary and other advanced treatment technologies, as well as sociopolitical strategies (e.g., source control or natural conservation) and restoration projects. The effect-based tools optimised in this thesis will support assessing their success.
Zur Evolution der Hirnmorphologie und Anpassungen an Extremhabitate im Taxon Poecilia (Teleostei)
(2020)
Diese Dissertation befasst sich mit den Auswirkungen kontrastierender Umweltbedingungen auf die Gehirnmorphologie von neotropischen Fischen der Gattung Poecilia, welche unterschiedlichen abiotischen sowie biotischen Stressoren ausgesetzt sind. Da das Gehirn der Teleostei ein energetisch kostspieliges Organ und viel plastischer ist als z. B. bei Säugetieren, stellt sich die Frage, wie die Gehirnanatomie durch divergierende ökologische Faktoren in verschiedenen Umgebungen geformt wird, die ´extreme´, ´ressourcenbeschränkte und günstige´ Umgebungen repräsentieren. Zur Beantwortung dieser Frage wurden intraspezifische Studien an freilebenden und Laborindividuen von Poecilia-Arten durchgeführt, um die evolutionäre und ökologische Formgebung des Gehirns besser verstehen zu lernen. Im ersten Teil der Arbeit wurden Gehirnvolumina verglichen zwischen reproduktiv isolierten Populationen des neotropischen Fisches Poecilia mexicana (Ntotal = 95), die in Dunkelheit leben (Cueva Luna Azufre), in einem nahegelegenen Oberflächenhabitat (El Azufre), welcher giftigen Schwefelwasserstoff enthält und einer Kombination aus beiden Stressoren Dunkelheit und H2S (Cueva del Azufre). In einer zweiten Studie wurde auf anatomische („konvergente“) Veränderungen im Teleost-Gehirn entlang eines natürlichen Gradienten von Sulfidkonzentrationen getestet. Hierfür wurden Gehirne (Ntotal = 100) von P. mexicana verglichen, die in drei Flusssystemen im Süden Mexikos unabhängig voneinander eine erhöhte Toleranz gegenüber Schwefelwasserstoff (H2S) entwickelt haben. Dazu gehörten eine phylogenetisch alte H2S-adaptierte Form (P. sulphuraria) und zwei P. mexicana Formen, welche frühere Stufen der Anpassung an H2S darstellen. Zur Überprüfung des Einflusses anderer abiotischer und biotischer Faktoren auf die Morphologie der Gehirnregionen wurde eine weitere Studie durchgeführt. Hierbei wurden die phänotypischen Variationen der Gehirnregionen und der Körpermorphologie von Poecilia vivipara-Populationen (Ntotal = 211) aus Lagunen des Restinga de Jurubatiba Nationalpark untersucht, die sich in abiotischen Umgebungsbedingungen, insbesondere in Salzgehalt, Wassertransparenz, Phosphat und Nitrat sowie biotischen Faktoren wie Prädatorendichte unterschieden. Die erste Studie zeigte lebensraumabhängige Unterschiede bei freilebenden Fischen. Bei Fischen, die in Dunkelheit ohne H2S (LA) oder in Oberflächenhabitaten mit H2S lebten, wurden vergrößerte telenzephale Lappen, kleinere Augen und optische Tekta gefunden. Fische aus der sulfidischen Höhle (CA) zeigten zusätzlich vergrößerte Corpus cerebelli. Der Vergleich mit den Gehirnen von Labor aufgezogenen weiblichen Fischen (Ntotal = 25) zeigt eine allgemeine Verringerung der Gehirngröße sowie eine geringe Abweichung der Gehirngröße zwischen Labor aufgezogenen und freilebenden Fischen. Auch in der zweiten Studie zeigten alle in H2S-haltigen Lebensräumen lebenden Fische kleinere Augen, ein kleineres optisches Tektum und ein kleineres Gehirnvolumen, jedoch größere Corpus cerebelli und Hypothalamusvolumen als Fische aus nicht-sulfidischen Lebensräumen. Flusssystem-spezifische Effekte wurden für die telenzephalen Lappen, das gesamte Gehirn und die Augengröße festgestellt, da die Geschlechter je nach Quelle des Flusssystems unterschiedlich auf das Vorhandensein von H2S reagierten. Die dritte Studie zeigt auch, dass andere Umwelteinflüsse bemerkenswerte Verschiebungen im Gehirn und in den Gehirnregionen verursachen können. Fische, die im Süßwasser leben, zeigten eine verringerte Gesamthirngröße, telenzephale Lappen, Corpus cerebelli und Hypothalamusvolumen. Darüber hinaus zeigten Fische aus Salzwasserlagunen (hypersalin), ein verringertes Volumen des optischen Tektum, während telenzephale Lappen, Corpus cerebelli und Hypothalamusvolumen im Vergleich zu Süßwasserfischen vergrößert waren. Im Brackwasser lebende Fische wiesen im Vergleich zu Süß- und Salzwasserfischen die größten Gehirnregion-Volumen auf. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse über die Lagunen hinweg auch Unterschiede in der Morphologie der Kopf- und Augendurchmesser. Bei Augengröße, Kopfgröße, optischem Tektum Volumen, Hypothalamusvolumen und dem Gesamthirnvolumen wurde ein sexueller Dimorphismus beobachtet. Die dargestellten Ergebnisse verdeutlichen, dass die gefundenen Muster nahezu mit denen von H2S-Fischen identisch sind. Die ausgeprägten Unterschiede in den Hirnregionen zwischen freilebenden Fischen können als Teil der Mosaikentwicklung interpretiert werden. Die Ergebnisse der Laborpopulation zeigen jedoch eine hohe phänotypische Plastizität. Diese Studie unterstreicht damit die Bedeutung der Kombination der Untersuchung von freilebenden mit im Labor lebenden Individuen zur Beantwortung von Fragen der Gehirnentwicklung. Kleinere Augen und ein kleineres optisches Tektum, aber größere telenzephale Lappen wurden auch bei Fischen aus einem sulfidischen Oberflächenhabitat in der Nähe einer der Höhlen gefunden und sind den Ergebnissen zufolge das Resultat begrenzter Sehkraft in trüben sulfidischen Lebensräumen.
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Ziel dieser Arbeit war es, einen genaueren Einblick in die Rolle von PaCLPXP für den Energiemetabolismus von P. anserina zu erhalten und mögliche Komponenten zu identifizieren, welche wichtig für die Langlebigkeit der PaClpP-Deletionsmutante sind. Folgende neue Erkenntnisse konnten hierbei gewonnen werden:
1. Die Substrat-Analyse durch eine Cycloheximid-Behandlung und anschließender Proteom-Analyse legte erfolgreich eine Reihe potentieller bisher nicht bekannter Substrate von PaCLPP offen. Interessanterweise waren unter den identifizierten Proteinen viele ribosomale Untereinheiten und Komponenten verschiedener Stoffwechselwege des Energiemetabolismus zu finden. Am auffälligsten unter diesen Substraten war die extreme Anreicherung eines Retikulon-ähnlichen Proteins, das einen neuen Aspekt der möglichen molekularbiologischen Rolle von PaCLPP in P. anserina andeutet.
2. Durch die Zugabe von Butyrat zum Medium, konnte erfolgreich die Autophagie sowohl im P. anserina Wildtyp als auch in der PaClpP-Deletionsmutante reduziert werden. Diese Verminderung der Autophagie sorgt bei ΔPaClpP für eine Verkürzung der Lebensspanne. Dieser Effekt ist spezifisch für die PaClpP-Deletionsmutante, während die Auswirkung von Butyrat auf den Wildtyp nur marginal ist. Dieses Ergebnis untermauert frühere Analysen dieser Deletionsmutante, welche besagen, dass die Langlebigkeit von ΔPaClpP Autophagie abhängig ist (Knuppertz und Osiewacz, 2017).
3. Die Metabolom-Analyse von ΔPaClpP im Vergleich zum Wildtyp zeigt, dass das Fehlen der PaCLPP zu Veränderungen in der Menge der Metaboliten der Glykolyse und des Citratzyklus kommt. Außerdem sind die Mengen der meisten Aminosäuren und der Nukleotide betroffen. Diese Analyse beweist, dass das Fehlen dieser mitochondrialen Protease weitreichende Folgen für die ganze Zelle hat. Durch die signifikante Verringerung von ATP und die Anreicherung von AMP in jungen ΔPaClpP-Stämmen und durch den Umstand der gesteigerten Autophagie in dieser Mutante, fiel das Augenmerk auf die AMPK. Dieses veränderte AMP/ATP-Verhältnis ist ein Indiz für eine gesteigerte AMPK-Aktivität und könnte auch den Umstand der gesteigerten Autophagie in ΔPaClpP erklären.
4. Das Gen codierend für die katalytische α-Untereinheit der AMPK (PaSnf1) konnte erfolgreich in P. anserina deletiert werden. Das Fehlen von PaSNF1 führt zu einer reduzierten Wuchsrate, eine beeinträchtige weibliche Fertilität und eine verzögerte Sporenreifung. Es konnte gezeigt werden, dass die Autophagie infolge einer PaSnf1-Deletion nicht gänzlich unterdrückt wird, PaSNF1 allerdings für die Stress-induzierte Autophagie notwendig ist. Überraschenderweise führt die Abwesenheit von PaSNF1 zu einer verlängerten Lebensspanne im Vergleich zum Wildtyp. Die meisten Effekte infolge einer PaSnf1-Deletion konnten durch die Einbringung eines FLAG::PaSNF1-Konstrukts komplementiert werden.
5. Eine gleichzeitige PaSnf1 und PaClpP-Deletion führt zu eine unerwarteten, extremen Lebenspannenverlängerung, die die Verlängerung der Lebensspanne bei der PaClpP-Deletionsmutante noch übertrifft. Interessanterweise geht dieser Phänotyp nicht mit einer erhöhten Autophagie einher. Des Weiteren konnte beobachtet werden, dass das Fehlen von PaSNF1 sowohl in ΔPaSnf1 als auch in ΔPaSnf1/ΔPaClpP zu einer veränderten Mitochondrien-Morphologie im Alter führt. Die Abwesenheit von PaSNF1 verursacht, dass die Stämme auch im Alter (20d) noch überwiegend filamentöse Mitochondrien aufweisen. Zudem zeigen die drei analysierten Deletionsstämme (ΔPaSnf1, ΔPaClpP und ΔPaSnf1/ΔPaClpP) massive Einschränkungen wenn sie auf die mitochondriale Funktion angewiesen sind.
6. Auffallend war, dass bei ΔPaSnf1, ΔPaClpP und bei ΔPaSnf1/ΔPaClpP die Stämme mit dem Paarungstyp „mat-“ langlebiger sind als die Stämme mit dem Paarungstyp „mat+“. Dieser Effekt ist bei der ΔPaSnf1/ΔPaClpP-Doppelmutante am stärksten ausgeprägt. Weitere Untersuchungen dazu ergaben, dass die Paarungstypen immer dann eine Rolle spielen, wenn die Stämme mitochondrialem Stress ausgesetzt, oder aber auf die mitochondriale Funktion angewiesen sind. Verantwortlich für diese Unterschiede sind zwei rmp1-Allele, die mit den unterschiedlichen Paarungstyp-Loci gekoppelt sind und mit dem jeweiligen Paarungstyp-Locus vererbt werden (rmp1-1 mit „mat-“; rmp1-2 mit „mat+“).
Seit den 1950er Jahren hat sich Plastik als unverzichtbare Ressource im menschlichen Alltag etabliert. Als negative Folge dieses Booms wird seit einigen Jahrzehnten jedoch eine zunehmende Belastung aquatischer Ökosysteme mit Plastikmüll bzw. dessen Degradationsprodukten, sogenanntes „Mikroplastik“ (MP, < 5 mm) bzw. „Nanoplastik“ (NP, < 1 µm), beobachtet. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des aktuellen Vorkommens von MP in limnischen Gewässern, die Analyse der Interaktion zwischen MP und limnischen Wirbellosenarten und der daraus resultierenden Toxizität sowie eine erste Risikoabschätzung.
Das Vorkommen von Mikroplastik in limnischen Gewässern wurde exemplarisch anhand der Elbe als großes Fließgewässer in Deutschland untersucht. Durch die Auswertung von elf Probestellen entlang des Verlaufs der Mittel- und Unterelbe konnte gezeigt werden, dass die MP-Konzentrationen im Sediment (2,26x10^4 – 2,27x10^7 P m^-3) im Mittel fast 150.000-fach höher sind als in der Wasserphase (0,88–13,24 P m^-3). Sedimente sind somit eine Senke für MP. Die Zusammensetzung der Polymerarten sowie MP-Formen deuten zudem an, dass die Partikel sowohl aus diffusen wie auch aus Punktquellen (z.B. Industrieabwässer) stammen. Im globalen Vergleich können die MP-Konzentrationen in deutschen Fließgewässern z. Z. als durchschnittlich betrachtet werden. Allerdings muss insgesamt davon ausgegangen werden, dass die bisher bestimmten MP-Umweltkonzentrationen die realen Konzentrationen möglicherweise unterschätzen. So zeigte die Elbestudie, dass die Sedimentfeinfraktion < 100 µm einen bedeutenden Polymeranteil enthielt. Die meisten bisher durchgeführten Studien zur Bestimmung von MP-Partikeln in Flüssen haben Partikel < 100 µm jedoch nicht in ihrer Analyse berücksichtigt.
Die Interaktion von MP mit limnischer Biota wurde anhand der Artgruppen der Muscheln (Bivalvia), Schnecken (Gastropoda) sowie Krebstiere (Crustacea) näher untersucht. Die Intensität der Interaktion ist maßgeblich von der Aufnahme von MP durch die verschiedenen Arten abhängig. Anhand von zahlreichen Aufnahmestudien mit verschiedenen limnischen Arten, darunter den Muschelarten Dreissena polymorpha, Sinanodonta woodiana und Anodonta anatina, der Lungenschnecke Lymnaea stagnalis sowie der Amphipodenart Gammarus pulex, wurde nachgewiesen, dass die MP-Aufnahme von den Eigenschaften der exponierten Arten bzw. Individuen, den MP-Charakteristika sowie den Expositionsbedingungen abhängt. Die Experimente mit Muscheln verdeutlichten die rasche Aufnahme, aber auch Exkretion von MP-Partikeln innerhalb weniger Stunden. In allen drei Artgruppen war die Aufnahme konzentrationsabhängig mit zunehmender Aufnahme bei steigenden MP-Konzentrationen. Die Muschelexperimente zeigten jedoch auch, dass eine gleichzeitige Exposition mit anderen Partikeln (z.B. Nahrung) zu einer reduzierten Aufnahme führt. Auch die Größe der Testorganismen beeinflusste die Aufnahme: So nahmen im Fall der Muscheln und Krebse kleinere Individuen (bzw. im Fall der Muscheln auch Arten) relativ pro Körpermasse mehr MP-Partikel auf als größere Individuen bzw. Arten. Für alle untersuchten Arten wurde darüber hinaus gezeigt, dass die MP-Größe relevanten Einfluss auf die Menge an aufgenommenen Partikeln hat.
Ein Vergleich zwischen den Artgruppen zeigte, dass Muscheln als filtrierende Organismen in den Laboruntersuchungen bei gleicher Expositionskonzentration mehr MP aufnahmen als Krebse (Zerkleinerer) und Schnecken (Weidegänger). Im Gegensatz zu Muscheln nutzen Krebstiere und Schnecken allerdings die Grenzschicht zwischen Wasser- und Sedimentphase als Suchraum für ihre Nahrung und sind in der Umwelt (auf Grund des höheren MP-Vorkommens in Sedimenten) somit möglicherweise gegenüber höheren MP-Konzentrationen exponiert als Muscheln. Die Extrapolation der gewonnenen Labordaten sowie der Vergleich mit publizierten Umweltdaten legen allerdings nahe, dass das MP-Vorkommen in Individuen aller drei Artgruppen bisher auf einige wenige MP-Partikel begrenzt ist. Ausgeprägte Unterschiede zwischen den Artgruppen sind bisher nicht erkennbar.
MP-Toxizitätsstudien mit G. pulex, L. stagnalis sowie D. polymorpha konnten trotz der Berücksichtigung einer Vielzahl an Endpunkten (Mortalität, Reproduktion, Nahrungsaufnahme, oxidativer Stress, Energiereserven, Immunzellaktivität) und trotz des Einsatzes zum Teil sehr hoher MP-Konzentrationen weit oberhalb aktueller Umweltkonzentrationen nur sehr wenige MP-induzierte Effekte nachweisen, darunter eine Steigerung der Filtrationsaktivität (D. polymorpha) bzw. Veränderung der Immunfunktion von Hämolymphzellen (L. stagnalis).
Zur weiteren Risikoabschätzung wurden diese Studienergebnisse mit publizierten Daten für marine und limnische Muschel- und Krebsarten in Artenempfindlichkeitsverteilungen (Species Sensitivity Distributions, SSD) zusammengeführt und jeweils eine SSD für Muscheln und Krebstiere erstellt. Die Erstellung einer SSD nur für limnische Arten ist zum jetzigen Zeitpunkt auf Grund der geringen Datenlage noch nicht möglich.
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Human GLUTs represent a family of specialized transporters that facilitate the diffusion of hexoses through membranes along a concentration gradient. The 14 isoforms share high sequence identity but differ in substrate specificity and affinity, and tissue distribution. According to their structure similarity, GLUTs are divided into three classes, with class 1 comprising the most intensively studied isoforms GLUTs1 4. An abnormal function of different GLUT members has been related to the pathogenesis of various diseases, including cancer and diabetes. Hence, GLUTs are the subject of intensive research, and efforts concentrate on identifying GLUT-selective ligands for putative medical purposes and their application in studies aiming to further unravel the metabolic roles of these transporters.
The hexose transporter deficient (hxt0) yeast strain EBY.VW4000 is devoid of all its endogenous hexose transporters and unable to grow on glucose or related hexoses. This strain has proven to be a valuable platform to investigate heterologous transporters due to its easy handling, increased robustness, and versatile applications. However, the functional expression of GLUTs in yeast requires certain modifications. Single point mutations of GLUT1 and GLUT5 led to their functional expression in EBY.VW4000, whereas the native GLUT1 was actively expressed in EBY.S7, a hxt0 strain carrying the fgy1 mutation that putatively reduces the phosphatidylinositol-4-phosphate (PI4P) content in the plasma membrane. GLUT4 was only actively expressed in the hxt0 strain SDY.022, which also contains the fgy1 mutation and in which ERG4 is additionally deleted. Erg4 is one of the late enzymes in the ergosterol pathway, and therefore SDY.022 probably has an altered sterol composition in its membrane.
The goal of this thesis was to actively express GLUT2 and GLUT3 in a hxt0 yeast strain, providing a convenient system for their ligand screening. A PCR-derived amino acid exchange in the sequence of GLUT3 enabled its functional expression in EBY.VW4000 and the unmodified GLUT3 protein was active in EBY.S7. Functional expression of GLUT2 was achieved by rational design. The extracellular loop between the transmembrane regions 1 and 2 is significantly larger in GLUT2 than in other class 1 GLUTs. By truncating this loop by 34 amino acids and exchanging an alanine for a serine, a GLUT3-like loop was implemented. The resulting construct GLUT2∆loopS was functional in EBY.S7. With an additional point mutation in the transmembrane region 11, GLUT2∆loopS_Q455R was also actively expressed in EBY.VW4000. Inhibition studies with the known GLUT inhibitors phloretin and quercetin showed a reduced transporter activity for GLUT2 and GLUT3 in uptake assays and growth tests when inhibitors were present, demonstrating that both systems are amenable for ligand screening experiments.
The newly established GLUT2 yeast system was then used to screen a library of compounds pre-selected by in silico screening. Thereby, eleven identified GLUT2 inhibitors exhibited strong potencies with IC50 values ranging from 0.61 to 19.3 µM. By employing the other yeast systems, these compounds were tested for their effects on GLUT1, and GLUTs3-5, revealing that nine of the identified ligands were GLUT2-selective. In contrast, one was a pan-class 1 inhibitor (inhibiting GLUTs1-4), and one affected GLUT2 and GLUT5, the two fructose transporting isoforms. These compounds will serve as useful tools for investigations on the role of GLUT2 in metabolic diseases and might even evolve into pharmaceutical agents targeting GLUT2-associated diseases.
Due to the beneficial effect of the putatively changed sterol composition in SDY.022 (by ERG4 deletion) on the functional expression of GLUT4, it was hypothesized that the presence of the human sterol cholesterol, or cholesterol-like sterols, might have a beneficial effect on GLUT expression, too. Thus, it was attempted to generate hxt0 strains that synthesize these sterols by genetic modifications targeting the ergosterol pathway. In the scope of these experiments, several strains with different sterol compositions were generated. Drop tests on glucose medium with the different strains expressing GLUT1 or GLUT4 revealed that the deletion of ERG6 is clearly advantageous for a functional expression of GLUT1 (but not GLUT4). This indicates that the methyl group at the ergosterol side chain (introduced by Erg6 and reduced by Erg4) negatively influences GLUT1 activity. However, this effect on GLUT1 activity was less pronounced than the putative altered PI4P content in EBY.S7.
Additionally, in this thesis, a new tool to measure glucose transport rates of transporters expressed in the hxt0 yeast system was developed to facilitate their kinetic characterization. For this, the pH-sensitive GFP variant pHluorin was employed as a biosensor for the cytosolic pH (pHcyt) by measuring the ratio (R390/470) of emission intensities at 512 nm from two different excitation wavelengths (390 and 470 nm). Sugar-starved cells exhibit a slightly acidic pHcyt because ATP production is depleted, reducing the activity of ATP-dependent proton pumps.
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My PhD work employed genetic and pharmacological manipulations, coupled with highresolution live imaging, to understand intercellular communications during zebrafish cardiovascular development. The heart is the first organ to form, and it is composed of several tissues, among which interactions are crucial. I identified two important interactions between muscular and non-muscular tissues in poorly characterized contexts, and the molecules required for the signalling. First, I discovered an important cellular and molecular crosstalk orchestrating the development of the cardiac outflow tract (i.e., the aortic root in mammals).
Endothelial-derived TGF-beta signalling controls the generation of the local extracellular matrix (ECM). The ECM in turn affects endothelial proliferation as well as smooth muscle cell organization (Boezio et al, 2020; Bensimon-Brito*, Boezio* et al, 2020). In my second project, I investigated the crosstalk between the epicardial layer and the myocardial wall. By generating epicardial-impairment models, I identified a novel role for the epicardium in regulating cardiomyocyte volume during heart development (Boezio et al, 2021). Ultimately, this research contributed to our understanding of how paracrine signalling controls the multicellular interactions integral to organogenesis.
Die Bildung von Blutgefäßen ist essentiell für die Entwicklung und Homöostase von Wirbeltieren und die Endothelzellspezifikation ist ein wichtiger erster Schritt in diesem Prozess. Das früheste bekannte Ereignis bei der Endothelzellspezifikation im Zebrafisch ist die Expression des bHLH-PAS-Transkriptionsfaktor-Gens npas4l. Ich habe eine transgene V5-Linie zum Nachweis des markierten Npas4l auf Proteinebene und eine Gal4-VP16-Reporterlinie zur Visualisierung und Verfolgung von npas4l exprimierenden Zellen in vivo generiert. Beide Linien können bereits in frühen Entwicklungsstadien nachgewiesen werden und komplementieren auch starke npas4l-Mutanten Allele. Um npas4l Reporter exprimierende Zellen in npas4l Mutanten zu verfolgen, habe ich anschließend eine mutierte Variante der Gal4-Reporterlinie erzeugt. Diese Mutante trägt eine Insertion in der Region, die die DNA-Bindedomäne kodiert. Dadurch stört sie die Npas4l-Funktion, aber nicht die Reporterexpression. Dieses mutierte Reporterallel komplementiert nicht die npas4l-Mutanten und zeigt einen starken Phänotyp, was darauf hindeutet, dass es sich um ein funktionelles Nullallel handelt. Phänotypische Analysen zeigten, dass npas4l-Reporter positive Zellen in npas4l-Mutanten nicht spezifizieren oder zur Mittelachse wandern. Stattdessen tragen sie zu den vom intermediären Mesoderm abgeleiteten pronephrischen Tubuli und dem vom paraxialen Mesoderm abgeleiteten Skelettmuskel bei. Ich habe diese Phänotypen durch Einzelzell-RNAseq an den npas4l-Reporter positiven Zellen in npas4l+/- und npas4l-/- Embryonen bestätigt. Zusammen erklären diese beiden alternativen Zellschicksale den Großteil der beobachteten Veränderungen zwischen den Genotypen. Npas4l ist dafür bekannt die Expression der drei Transkriptionsfaktorgene etsrp, tal1 und lmo2 zu fördern. Ich stellte die Hypothese auf, dass das Fehlen jedes dieser Transkriptionsfaktoren in npas4l-Mutanten verschiedene Aspekte des npas4l-Phänotyps verursacht. Daher habe ich Mutantenlinien für alle drei Gene generiert und sie sowohl in vaskulären Reporterlinien als auch im npas4l-Reporterhintergrund analysiert. Die Daten legen nahe, dass verschiedene Gene unterschiedliche Prozesse während der frühen Endothelentwicklung regulieren. In npas4l-/- und etsrp-/- Embryonen differenzieren npas4l-Reporter exprimierende Zellen nicht zu Endothelzellen und tragen stattdessen zur Skelettmuskelzellpopulation bei. In npas4l-/- und tal1-/- Embryonen können npas4l-Reporter exprimierende Zellen nicht migrieren und tragen stattdessen zu der Bildung der pronephrischen Tubuli bei. Um die Beziehung zwischen diesen Faktoren besser zu verstehen, habe ich getestet, ob die Injektion von etsrp-, tal1- oder lmo2-mRNA verschiedene Aspekte des npas4l-Phänotyps retten würde. npas4l-, etsrp- und tal1-Mutanten zeigen alle schwere vaskuläre Phänotypen. Einige Endothelzellen und vaskuläre Strukturen bleiben jedoch in jeder Mutante erhalten. Der Phänotyp ist am stärksten in npas4l-/- Embryonen, aber selbst in diesen Embryonen können einige fli1a-positive Endothelzellen in der Schwanzregion beobachtet werden. Es war unklar, ob sich diese Population von Endothelzellen unabhängig von der Npas4l-, Tal1- und Etsrp-Funktion entwickelt oder als Folge einer restlichen tal1- oder etsrp-Expression unabhängig von Npas4l. Um diese Frage zu untersuchen, habe ich Doppelmutanten generiert und nach dem Vorhandensein von fli1a-positiven Endothelzellen in diesen Mutanten gesucht. Während fli1a-positive Endothelzellen in npas4l-/- und npas4l-/-;tal1-/- Embryonen deutlich vorhanden sind, können keine solchen Zellen in npas4l-/-;etsrp-/- oder etsrp-/-;tal1-/- Embryonen beobachtet werden. Diese Daten deuten darauf hin, dass sich im Zebrafisch keine Endothelzellen entwickeln können, wenn zugleich npas4l und etsrp oder etsrp und tal1 gestört sind. Während der Verlust von etsrp zu stärkeren Defekten in npas4l-Mutanten führt, gibt es keinen zusätzlichen Phänotyp, der durch den Verlust von tal1verursacht wird, was darauf hindeutet, dass die Expression von etsrp, aber nicht die von tal1, unabhängig von Npas4l auftreten kann. Diese Idee wird durch die Beobachtung unterstützt, dass etsrp, aber nicht tal1-Expression in den meisten fli1a-exprimierenden Zellen in npas4l-/- Embryonen beobachtet wird. Dennoch wird der Großteil -Expression durch Npas4l reguliert. tal1-mRNA-Injektionen reichten aus, um eine Wildtyp-ähnliche vaskuläre Musterbildung im Bauchbereich der npas4l-/- Embryonen wiederherzustellen, einschließlich der Rettung sowohl der Zellmigration als auch der Differenzierung. Da Npas4l mehrere unterschiedliche transkriptionelle Effektoren hat, war eine so starke Rettung durch nur einen dieser Effektoren unerwartet. In den geretteten Mutanten wurde die bilaterale Population von npas4l-Reporter-positiven pronephrischen Tubuluszellen nicht entdeckt, aber die Anzahl der ektopischen npas4l-Reporter exprimierenden Muskelzellen war im Vergleich zu nicht injizierten npas4l-Mutanten gleichbleibend.
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Tissue translocation, multigenerational and population effects of microplastics in Daphnia magna
(2021)
The last century saw the widespread adoption of plastic materials throughout nearly every aspect of our lives. Plastics are synthetic polymers that are made up of monomer chains. The properties of the monomer in conjunction with chemical additives allow plastics to have a sheer endless variety of features and use cases. They are cheap, lightweight, and extremely durable. Plastic materials are often engineered for single-use and in conjunction with high production volumes and insufficient waste management and recycling across the globe, this leads to a large number of plastics entering the environment. Marine ecosystems are considered sinks. However, freshwater ecosystems as entry pathways are highly affected by plastic waste as well. Throughout the past decade, the impact of plastic waste on human and environmental health has received a lot of attention from the ecotoxicological community as well as the public. Small plastic fragments (< 1 mm called microplastics) are a large part of this emerging field of research. Within this, the water flea Daphnia magna is probably the most common organism that is used to assess microplastics toxicity. As a filter-feeding organism, it indiscriminately ingests particles from the water column and is thus highly susceptible to microplastics. For this thesis, we identified some gaps in the available data on the ecotoxicity of microplastics to daphnids. To illuminate some of those gaps the present thesis was aimed at five main aspects:
(1) Tissue translocation of spherical microplastics in Daphnia magna
(2) Investigation of the toxicity of irregularly shaped microplastics
(3) Multigenerational and population effects of microplastics
(4) Comparison of the toxicity of microplastics and natural particles
(5) Effects of particle-aging on microplastics toxicity
The thesis is comprised of three peer-reviewed articles and one so-far unpublished study as “additional results”. The first study was aimed at understanding tissue translocation of spherical microplastics to lipid storage droplets of daphnids. The crossing of biological membranes is discussed as a prerequisite to eliciting tissue damage and an inflammatory response. Previously, researchers reported the translocation of fluorescently labeled spherical microplastics to lipid storage droplets of daphnids, even though no plausible biological mechanism to explain this occurrence. Therefore, in order to learn more about this process and potentially illuminate the mechanism we replicated the study. We were able to observe a fluorescence signal inside the lipid droplets only after increasing the exposure concentrations. Nonetheless, it appeared to be independent of particles. This led to the hypothesis, that the lipophilic fluorescent dye uncoupled from the particles and subsequently accumulated in lipid storage droplets. The hypothesis was further confirmed through an additional experiment with a silicone-based passive sampling device showing that the fluorescence occurred both independent of particles and digestive processes. Accordingly, we concluded that the reported findings were a microscopic artifact caused by the uncoupling of the dye from the particles. Therefore, a fluorescence signal alone is not a sufficient proxy to assume that particles have translocated. It needs to be coupled with additional methods to ensure that the observation is indeed caused by the translocation of particles.
It is still unclear whether the toxicity profile of microplastics is different from that of naturally occurring particles or if they are “just another particle”, as there are innumerable amounts in the natural environment surrounding an organism. The goal of the second study was to compare the toxicity of irregularly shaped polystyrene microplastics to that of the natural particle kaolin. The environment is full of natural non-food particles that daphnids ingest more or less indiscriminately and therefore are well adapted to deal with. Daphnids have a short generation time and usually experience food limitation in nature. Therefore, short-term studies only looking at acute toxicity with ad libitum food availability are not representative of the exposure scenario in nature. For a more realistic scenario, we, therefore, used a four-generation multigenerational design under food limitation to investigate how effects translate from one generation to the next. We observed concentration-dependent effects of microplastics but not of natural particles on mortality, reproduction, and growth. Some of the effects increased from generation to generation, leading to the extinction of two treatment groups. Here, microplastics were more toxic than natural particles. At least part of this difference can be explained by physical properties leading to the quick sedimentation of the kaolin, while microplastics remained in the water column. Nonetheless, buoyancy and sedimentation would also affect exposure in the environment and are likely different for most microplastics than for most naturally occurring particle types.
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In order to form an organ, cells need to take up specialized functions and tasks. Cellular specialization is guided by an interplay of chemical signals and physical forces, where one influences the other. One aspect in cellular identity is its shape, which e.g. defines how susceptible the cell may be to intercellular signaling or in which section of the cell cycle it is and therefore can tell us about its current state. Shape changes are introduced by motor proteins that are controlled and activated in a locally confined manner. For my thesis, I was interested to understand better how cellular shape and geometry impacts downstream cell and organ development. What happens if a cell cant transition to a specific shape? How does it affect tissue structure? How does it affect further development?
One regulator of motor proteins like non-muscle myosin is Shroom3, which recently has been been shown to be expressed and involved in the development of the zebrafish lateral line organ (1 ). Development of the lateral line occurs through a migrating cluster of initially about 150 cells, the posterior lateral line primordium (pLLP), which migrates from the anterior (head) to the posterior (tail) while depositing cell clusters in a regular pattern. Literature on development of the lateral line suggests that in order for a cell cluster to be deposited from the pLLP, rosette formation is a key requirement. Therefore our expectation from the shroom3 mutant was that the number of clusters deposited was significantly reduced. To our surprise, when we first inspected the end of migration lateral line phenotype we found many individuals with a significant increase in cell clusters deposited.
This made us re-think the role of Shroom3 during rosette assembly and the processes its involved in.
To study the effects of Shroom3 on lateral line development, a mutant line was generated and crossed with various transgenic lines which express fluorescently labeled proteins that locate to organelles such as the plasmamembrane or the nucleus. Following, the mutant with its fluorescent labels was microscopically imaged under different conditions to quantify and analyze various cell-morphometric features. Even though the zebrafish is a popular model organism and its perfectly suited for developmental biology and advanced microscopy, there were no methods that would allow for a standardized and more automated pipeline of data acquisition and processing.
Therefore, in order to accurately quantify the morphogenic processes Shroom3 is involved in, I developed a new toolset that significantly improved and facilitated my research. The toolset consists of (1) a new sample mounting method that is based on a 3D agarose gel that increases the number of embryos that can be mounted and imaged at once and speeds up the imaging process significantly (2) for subseqent image analysis I developed four programs that automate the process and therefore make the results much more reproducible and the analysis much more efficient. The first program is used for end of migration analyses, to deduce the pattern, count and size of Lateral Line cell clusters. The second is used not for end of migration, but for migration analyses (on timelapse recordings). Besides this it also prepares the images for more advanced downstream migration analyses and allows to analyse fluorescence signal on a second channel. The third program is used to analyse the pLLP only at high spatial resolution and to deduce the cell count, 3D cell morphometrics (like the volume) and cell orientation. The fourth program finally is used downstream of the second and third program and is capable of detecting and comparing them with the look of wildtype rosettes.
Here I show that in absence of Shroom3 rosette formation in the migrating pLLP is destabilized leading to facilitated cell cluster deposition and I show how this might be related to traction forces due to a possible interdependence of pLLP acceleration and speed of migration. Furthermore I show that apical constriction and rosette formation is not blocked in Shroom3 deficient embryos, but that larger rosettes are fragmented into many smaller ones. Finally, I give an outlook on how the absense of Shroom3 and hence the absense of morphological changes may deregulate gene transcription by elevating the levels Atoh1a, a transcription factor necessary for hair cell development.
My results and methodology demonstrate the importance of morphology in guiding developmental processes and how rather small morphological changes on the cellular level can impact further development significantly. My work also shows how powerful modern genetics, imaging and image analysis are and how diverse they are in terms of range of questions they are capable of answering. The methods and tools I developed prepare the ground for at least three quarters of the analyses I carried out and together with the documentation and data I provide, they are highly reproducible. In that regard I am especially happy that one of my developments, an improved sample preparation method, is already used by many different labs all over the world helping them to make their results more reproducible.
Across the entire animal kingdom, sociality, i.e. the tendency of individual animals to form a group with conspecifics, is a common trait. Environmental changes have to be met with corresponding, quick adaptations. For social species, the presence of conspecifics is important for survival and if social animals are deprived of access to conspecifics, this can lead to strong and lasting changes on a physiological level as well as behaviour. Gene expression changes responsible for these adaptations have so far not been understood in detail. As social isolation leads to changes on a neuronal level, it is important to investigate the gene expression changes that are induced in the brain. In this thesis, next-generation RNA-sequencing was applied to zebrafish, a well-established model organism characterized by its high degree of companionship. Within the entire brain, gene expression was analysed in zebrafish that were raised either with conspecifis or in isolation, ranging from 5 to 21 days post fertilization. Using this approach, several genes were identified that were downregulated by social isolation. In this thesis, I focused on one of these consistently downregulated genes, parathyroid hormone 2 (pth2). The expression of pth2 was demonstrated to be bidirectionally regulated by the number of conspecifics present and to be responsive to changes in the social environment within 30 minutes. Regulation of pth2 does not occur by visual or chemosensory access to conspecifcs, but is mediated by mechanosensory perception of other fish via the lateral line. In an experiment using an artificial mechanical stimulation paradigm, it was shown that the features necessary to elicit pth2 transcription closely mimick the locomotion of actual zebrafish. Other, similar stimulation paradigms are not capable to induce this transcriptional response.
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.
Global biodiversity is changing rapidly and contemporary climate change is an important driver of this change. As climate change continues, the challenge is to understand how it may affect the future of biodiversity. This is relevant to informing policy and conservation, but it requires reliable future projections of biodiversity. Biodiversity is the variety of life on Earth which includes the diversity of species. The species on Earth are linked in diverse networks of biotic interactions. Interacting species can respond differently to climate change. This can cause spatial or temporal mismatches between interacting species and result in secondary extinctions of species that lose obligate interaction partners. Yet, accounting for biotic interactions in biodiversity projections remains challenging. One way to address this challenge is the use of trait-based approaches because the impact of climate change on interacting species is influenced by species’ functional traits, i.e., measurable characteristics of the species that influence their abiotic and biotic interactions. First, species’ functional traits influence how species respond to climate change. Second, they influence whether the species find compatible interaction partners in reshuffled species assemblages under climate change. Thus, the overarching aim of this dissertation was to explore how trait-based approaches can increase our understanding of how climate change might affect interacting species. For this, I focussed on interactions between fleshy-fruited plants and avian frugivores along a tropical elevational gradient.
I investigated three principal research questions. First, I investigated how traits related to the sensitivity of avian frugivores to climate change and their adaptive capacity vary along elevation and covary across species. I combined estimates of species’ climatic niche breadth (approximating species’ sensitivity) with traits influencing species’ dispersal ability, dietary niche breadth and habitat niche breadth (aspects of species’ adaptive capacity). Species’ climatic niche breadth increased with increasing elevation, while their dispersal ability and dietary niche breadth decreased with increasing elevation. Across species, there was no significant relationship of the sensitivity of the avian frugivores to climate change and their adaptive capacity. The opposing patterns of species’ sensitivity to climate change and their adaptive capacity along elevation imply that species from assemblages at different elevations may respond differently to climate change. The independence between species’ sensitivity and adaptive capacity suggests that it is important to account for both sensitivity and adaptive capacity to fully understand how climate change might affect biodiversity.
Second, I assessed how climate change might influence the co-occurrence of interaction partners with compatible traits, i.e., the functional correspondence of interacting species. I integrated future projections of species’ elevational ranges considering different vertical dispersal scenarios with analyses of the functional diversity of interacting species assemblages. The functional correspondence of fleshy-fruited plants and avian frugivores was lowest if plant and bird species were projected to contract their ranges towards higher elevations in response to increasing temperatures. Contrastingly, if species were projected to expand their ranges upslope, the functional correspondence remained close. The low functional correspondence under a scenario of range contraction indicates that plant species with specific traits might miss compatible interaction partners in future assemblages. This could negatively affect their seed dispersal ability. These results suggest that ensuring the integrity of biotic interactions under climate change requires that species can shift their ranges upslope unlimitedly.
Third, I examined whether avian seed dispersal is sufficient for plants to track future temperature change along the elevational gradient. With a trait-based modelling approach, I simulated seed-dispersal distances avian frugivores can provide to fleshy-fruited woody plant species and quantified the number of long-distance dispersal events the plant species would require to fully track projected temperature shifts along elevation. Most plant species were projected to require several long-distance dispersal events to fully track the projected temperature shifts in time. However, the number of required long-distance dispersal events varied with the degree of trait matching and plant species’ traits. These findings suggest that avian seed dispersal is insufficient for plants to track future temperature change along the elevational gradient as woody plant species might not be able to undergo several consecutive long-distance dispersal events within a short time window, due to their long maturation times. These results also imply that the ability of bird-dispersed plant species to track climate change is associated with the specialization of the seed dispersal system and with plant species’ traits.
Trait-based approaches are promising tools to study impacts of climate change on interacting species. The trait-based approaches that I have developed in this thesis are applicable more widely, e.g., to other types of biotic interactions, or to assess the effects of other drivers of global change. Moreover, these approaches may be further developed to model changes in biotic interactions under global change more dynamically. Taken together, I have shown how a trait-based perspective could help to account for biotic interactions in biodiversity projections. The development of such approaches and the gained knowledge are urgently needed to facilitate the conservation of biodiversity in a rapidly changing world.
Genetic and genomic tools have provided researchers with the opportunity to address fundamental questions regarding the reintroduction of species into their historical range with greater precision than ever before. Reintroduction has been employed as a conservation method to return locally extinct species to their native range for decades. However, it remains unknown how genetic factors may impact population establishment and persistence at the population and metapopulation level in the short- and long-term. Genetic methods are capable of producing datasets from many individuals, even when only low quality DNA can be collected. These methods offer an avenue to investigate unanswered questions in reintroduction biology, which is vital to provide evidence based management strategies for future projects. The Eurasian lynx (Lynx lynx) and European wildcat (Felis silvestris) are elusive carnivores native to Eurasia and have been the subject of multiple reintroduction attempts into their native range. During the 19th and 20th century, the Eurasian lynx was extirpated from West and Central Europe due to increasing habitat fragmentation and persecution. Similarly, the European wildcat was the subject of human persecution, residing in a few refugia in West and Central Europe. After legal protection in the 1950s, subsequent reintroduction projects of both species began in the 1970s and 1980s and continue to the present. Despite this large focus on species conservation, little attention has been given to the consequences these reintroductions have on the genetic composition of the reintroduced populations and if the populations have a chance of persisting in the long term. These species have not yet benefited from the large range of genetic and genomic techniques currently available to non-model organisms, leaving many fundamental aspects of their reintroduction poorly understood. In my dissertation, I investigate demography, population structure, genetic diversity and inbreeding at the population and metapopulation level in both species. In the introduction, which lays the foundation for the subsequent chapters of this PHD, I provide background on reintroduction, its role in conservation and the genetic consequences on populations, especially populations of apex and mesocarnivores. In Publication I, I investigated the reemergence of the European wildcat in a low mountain region in Germany using fine-scale spatial analysis. I found that the reintroduced population has persisted and merged with an expanding natural population. The reintroduced population showed no genetic differentiation from the natural population suggesting there is a good chance this population has retained sufficient genetic diversity despite reintroduction. In Publication II, I tracked population development and genetic diversity over 15 years in a reintroduced lynx population to determine the genetic ramifications on a temporal scale. I found slow genetic erosion after a period of outbreeding, which fits in line with other reintroduced taxa sharing similar demographic histories. I also found the number of genetic founders to be a fraction of the total released individuals, indicating that reintroduced populations of elusive carnivores may have fewer founder individuals than previously thought. In Publication III, I sampled all surviving lynx reintroductions in West and Central Europe as well as 11 natural populations to compare levels of genetic diversity and inbreeding across the species distribution. I found that all reintroduced populations have lower genetic variability and higher inbreeding than natural populations, which urgently requires further translocations to mitigate possible negative consequences. These translocations could stem from other reintroduced populations or from surrounding natural populations. The results contribute to a growing body of evidence indicating that inbreeding is likely to be more prevalent in wild populations than previously understood. Finally, in the discussion I explore how genetic methods can be applied to post-reintroduction monitoring of felid species to illuminate questions relating to genetic composition after release. The methods employed in these studies and in future work will be highly dependent on the research questions posed. Additionally, I investigate the drivers of the observed genetic patterns including founder size, source population, environmental factors, and population growth. I found that genetic diversity loss patterns across these two felid species are not clearly defined, however, management actions can be taken to mitigate the negative effects of reintroductions. These management actions include further translocation, introducing a sufficient number of released individuals and situating reintroductions adjacent to natural populations. All of these actions can minimize genetic drift and inbreeding, two factors which negatively impact small populations. This thesis further supports mounting evidence that genetic considerations should be assessed before releasing individuals, which allows for incorporation of scientific evidence into the planning process thereby increasing the overall success of reintroduction projects. Ultimately, the resources developed during this dissertation provide a solid baseline and foundation for future work regarding the consequences of reintroductions. This is especially important as an increasing number of species are at risk of extinction and reintroductions of both the European wildcat and Eurasian lynx, as well as many others, are planned in the coming years.