Screening of microbial genomes towards new enzymes for the synthesis of compatible solutes
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurden molekulare Prozesse der Salz- und Trockenstressanpassung bei Cyano- und heterotrophen Bakterien, Rotalgen sowie transgenen Pflanzen erforscht. Dabei haben wir uns besonders auf die Akkumulation sogenannter „compatible solutes“ aus der Gruppe der Heteroside, die aus einem Zuckerbestandteil und einem Polyolbaustein bestehen, konzentriert. Ausgehend von unseren Vorarbeiten zur Akkumulation von Glucosylglycerol (GG) in salzbelasteten Zellen von Cyanobakterien wurden die Syntheseenzyme für diese Substanz in heterotrophen Bakterien identifiziert. Im Unterschied zu Cyanobakterien nutzen diese Organismen Fusionsproteine zur GG-Synthese, die sowohl aus einer Zuckerphosphat-Synthasedomäne, die zur cyanobakteriellen homolog ist, als auch einer Phosphatase-Domäne, die nicht mit dem cyanobakteriellen Protein verwandt ist, bestehen. Diese Enzyme weisen ebenfalls eine breitere Substratspezifität auf, sie können neben ADP- auch UDP-Glucose verwenden. Nach Transfer von Genen für diese Fusionsproteine konnten auch erfolgreich transgene Pflanzen (Arabidopsis sowie Kartoffel) erzeugt werden, die große Mengen an GG akkumulieren und auch eine verbesserte Salz- sowie Trockentoleranz ausweisen. Zu Beginn unserer Arbeiten war von allen marinen Cyanobakterien bekannt, dass diese zum Wachstum im marinen Milieu GG als bevorzugtes „compatible solute“ akkumulieren. In den Genomen von Prochlorococcus-Stämmen, die eine dominierende Cyanobakteriengruppe im zentralen Ozean darstellen, wurden keine Gene für die GG-sondern für die Glucosylglycerat-(GGA)-Synthese gefunden. Durch physiologische und molekulare Untersuchungen konnten wir erstmals die Funktion von GGA als Schutzsubstanz für Cyanobakterien bestätigen. Weitere Experimente zeigten, dass neben der osmotischen Wirkung das geladene GGA auch anstelle von Glutamat als Gegenion für Kalium zu wirken scheint. Weiterhin konnte in dem global bedeutsamen, N2-fixierenden Crocosphaera watsonii ein für Cyanobakterien neues Trehalose-Syntheseenzym molekular charakterisiert werden, das durch horizontalen Gentransfer von diesen Stämmen erworben wurde und die GG-Synthese ersetzt hat. Schließlich wurde das Syntheseenzym von Galactosylglycerol, welches als (Iso)Floridosid das Hauptsyntheseprodukt in Rotalgen darstellt, identifiziert. Wir konnten das erste Gen für eine kombinierte Isofloridosid-Phosphat Synthase/Phosphatase in der extremophilen Rotalge Galdieria sulphuraria charakterisieren. Neben dem besseren Verständnis der Salzanpassung können unsere Erkenntnisse auch praktische Bedeutung erlangen, da „compatible solutes“ in der Pharma- und Kosmetikindustrie als wertvolle Zusätze genutzt werden sowie deren Akkumulation Organismen gegen abiotischen Stress schützt.
Publications
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