Ist der Entner-Doudoroff-Weg ein übersehener glykolytischer Abbauweg in Cyanobakterien und haben Cyanobakterien das Schlüsselenzym dieses Weges über endosymbiontischen Gentransfer an Pflanzen weitergegeben?

• Antragstellerin: Professorin Dr. Kirstin Gutekunst
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 275052541

Die Oxidation von Glukose hat eine zentrale Bedeutung für den Energiestoffwechsel von Organismen aller drei Domänen des Lebens. Sie versorgt Zellen mit ATP, Reduktionsäquivalenten (NADH, NADPH) und Vorstufen für die Biosynthese. Es ist bekannt, dass Cyanobakterien und Pflanzen Glukose entweder über den Embden-Meyerhoff-Parnass-Weg (EMP, oftmals als Glykolyse bezeichnet) oder den oxidativen Pentosephosphateweg (OPP) abbauen. Wir haben sowohl den EMP- als auch den OPP-Weg im Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 ausgeschaltet und zu unserer Überraschung festgestellt, dass die entsprechende Mutante weiterhin in der Lage war ihr Wachstum auf Glukose im Licht zu steigern. Während der EMP- und der OPP-Weg die am häufigsten vorkommenden glykolytischen Wege in Eukaryonten sind zeigen Prokaryonten eine große Vielzahl an verschiedenen Abbauwegen. Am weitesten verbreitet sind der EMP-, OPP- und der Enter-Doudoroff-Weg (ED). Wir haben daher das Genom von Synechocystis nach den Schlüsselenzymen des ED-Weges, namentlich 6P-Gluconat Dehydratase (Edd) und KDPG-Aldolase (Eda) durchsucht und Kandidaten für beide gefunden. Eine Deletionsmutante, in der sowohl die Schlüsselenzyme des EMP-, OPP-, ED-Weges und einer Umwegreaktion des OPP-Weges ausgeschaltet wurden, konnte ihr Wachstum auf Glukose nicht mehr steigern. Dies weist darauf hin, dass der ED-Weg in Synechocytis ablaufen könnte. Markierungsexperimente mit 13C Glukose bestätigten, dass Glukose im Licht sowohl über den EMP- als auch über den ED-Weg abgebaut wird. Eine Suche nach den Schlüsselenzymen von EMP-Weg (namentlich Pfk) und ED-Weg (namentlich Eda) ergab, dass 96% aller sequenzierter Cyanobakterien über Eda verfügen, 58% besitzen sowohl Pfk als auch Eda, 4% ausschließlich Pfk und bemerkenswerte 38% verfügen ausschließlich über Eda. Dies weist darauf hin, dass der ED-Weg für Cyanobakterien ein glykolytischer Abbauweg von physiologischer Bedeutung sein könnte, der bis heute übersehen worden ist. Bemerkenswerterweise ist Eda auch in Pflanzen weitverbreitet. Phylogenetische Analysen haben ergeben, dass Pflanzen das Schlüsselenzymes des ED-Weges über endosymbiontischen Gentransfer von Cyanobakterien erhalten haben. Die physiologische Bedeutung des Entner-Doudoroff-Weges als glykolytischer Weg in Cyanobakterien und Pflanzen wird diskutiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen