Zusammensetzung und Assemblierung von Phycoerythrin III aus Prochlorococcus marinus CCMP1375

• Antragstellerin: Professorin Dr. Nicole Frankenberg-Dinkel
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427719995

Prochlorococcus marinus ist eines der häufigsten und ökologisch bedeutendsten photosynthetischen Cyanobakterien in den Ozeanen. Im Gegensatz zu den gemeinsam vorkommenden Synechococcus-Arten besitzt P. marinus neben einer Divinyl-Chlorophyll-Antenne nur Reste eines lichtsammelnden Phycobilisoms in Form eines einzelnen Phycobiliproteins, das als Phycoerythrin III (PE III) bezeichnet wird. Dieses PE III besteht im Schwachlicht-adaptierten Ökotyp P. marinus CCMP1375 aus einer alpha- und beta-Untereinheit mit verknüpften offenkettigen Tetrapyrrolen (Phycobilinen). Spectroskopische Studien haben gezeigt, dass dieses PE III mit den Phycobilinen Phycoerythrobilin (PEB) und Phycourobilin in einem Verhältnis 1:3 chromophoryliert ist. Bislang wurde dies biochemisch noch nicht bestätigt, hauptsächlich aufgrund geringer Biomasse-Ausbeuten. Die meisten für die PE-Assemblierung erforderlichen Gene sind in P. marinus CCMP1375 in einem ~ 10 kb-Gencluster kodiert. Dieser Cluster enthält nicht nur die Gene für die alpha- und beta-Untereinheit, sondern auch Gene, die für Phycobiliprotein-Lyasen kodieren. Dies sind Proteine, die an der posttranslationalen Modifikation der Untereinheiten mit den Phycobilinen beteiligt sind. Außerhalb des Genclusters finden sich darüber hinaus Gene, die die Biosyntheseenzyme für die Phycobiline PEB und Phycocyanobilin kodieren, sowie eine weitere putative Phycobiliprotein-Lyase. Im Rahmen dieses Antrags soll die Chromophorylierung und der Mechanismus der PE III-Assemblierung untersucht werden. Hierfür soll zuerst das native PE III angereichert und mit einer Kombination an spektroskopischen Methoden (UV-Vis, Fluoreszenz-) sowie Massenspektrometrie untersucht werden. Unter Verwendung des kürzlich beschriebenen TREX-Systems soll das gesamte Gencluster chromosomal in E. coli BL21 (DE3) integriert und im Folgenden bidirektional von flankierenden T7-Promotoren exprimiert werden. Zusätzlich werden die Phycobilin-Biosynthesegene episomal ko-exprimiert. Anschliessend soll PE III gereinigt und die gebundenen Phycobiline charakterisiert werden.In einem parallelen Versuch soll ein modularer Ansatz unter Verwendung des pDuet ™ Vektorsystems genutzt werden. Hier werden alle Gene, die möglicherweise an der Assemblierung der alpha- oder beta-Untereinheit beteiligt sind, gemeinsam exprimiert. Da einige der Phycobiliprotein-Lyasen noch keine charakterisierten Homologe aufweisen, sollen verschiedene Kombinationen getestet werden. Darüber hinaus ermöglicht dieser zweite Ansatz die Zerlegung des Assemblierungsprozesses in die individuellen Untereinheiten. Das Gesamtziel dieses Projekt ist es, den Chromophorylierungszustand von PE III aufzuklären sowie die beteiligten Phycobiliprotein-Lyasen zu identifizieren und zu charakterisieren. Dabei sollen bestenfalls auch neue Phycobiliprotein-Lyase-Aktivitäten identifiziert werden, die zum Verständnis der Assemblierung von Lichtsammelstrukturen und deren Anpassung an spezifische Lichtregime beitragen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen