Metabolic engineering strategies for an increased PHB production in cyanobacteria

Cyanobakterien repräsentieren einen der ältesten bakteriellen Phyla der Welt. Aufgrund ihrer globalen Verbreitung besitzen sie einen starken Einfluss auf globale Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe. Trotz dieser großen Relevanz sind viele Aspekte ihres Metabolismus bislang schlecht erforscht. Ein Beispiel dafür ist Polyhydroxybutyrat (PHB), welches in vielen Cyanobakterien (auch dem Modelorganismus Synechocystis sp. PCC 6803) gebildet wird. Dieses intrazelluläre Polymer wird vornehmlich unter Stickstoffmangel synthetisiert, während Synechocystis in einen Überdauerungszustand namens Chlorose übergeht. Bislang sind die physiologische Relevanz von PHB sowie Einflussfaktoren auf dessen Biosynthese größtenteils unbekannt. In der vorliegenden Arbeit werden all diese Fragen adressiert und umfassend diskutiert. Um die physiologische Funktion des PHB zu erforschen wurde ein Synechocystis Wildtyp mit einer PHB-freien Mutante verglichen. Wir konnten zeigen, dass, im Gegensatz zu anderen Bakterien, PHB nicht als Kohlenstoffspeicher genutzt wird, und darüber hinaus keine Relevanz während der Recovery aus der Chlorose besitzt. Wichtige Faktoren für die PHB-Biosynthese sind sowohl die Beleuchtung als auch der Gasaustausch, wobei bei Tag/Nacht-Rhythmus (im Vergleich zu Dauerlicht), sowie bei hohem Gasaustausch mehr PHB gebildet wird. Interessanterweise wird PHB während der Recovery aus der Chlorose nicht abgebaut, sondern lediglich in kleinere Granula zerteilt und auf Tochterzellen verteilt. In anderen Organismen sind viele verschiedene Proteine am PHB-Metabolismus beteiligt, etwa während der Bildung, der Instandhaltung oder der Degradation der PHB Granula. In dieser Arbeit wurden mehrere Proteine untersucht, die einen Einfluss auf den PHB Stoffwechsel haben könnten. Dabei wurde ein neuer Regulator entdeckt, Slr0058, welcher die Anzahl und Größe von PHB-Granula beeinflusst. Bei der Untersuchung verschiedener Kohlenstoffwege stellte sich heraus, dass der Embden Meyerhof Parnas Weg der wichtigste für die PHB Bildung ist. Um den intrazellulären Ursprung des PHB zu ermitteln wurde verschiedene Knock-Out Mutanten untersucht, wie sich die PHB Biosynthese durch die Mutation ändert. Dabei zeigte sich, dass eine Beeinträchtigung des Glykogen-Stoffwechsels sich negativ auf die PHB Bildung auswirkt, was auf eine Verknüpfung beider Polymere hindeutet. Dieser Stofffluss wird durch einen neu entdeckten Regulator, Slr0944, gesteuert. Dieser Regulator ist besonders abundant während der Chlorose, wo er die Phosphoglycerat-Mutase inhibiert und dadurch den Kohlenstofffluss reguliert. Aufgrund der ähnlichen Materialeigenschaften zu Polypropylen wird PHB häufig als eine biobasierte und biologisch abbaubare Alternative angesehen, was von großer biotechnologischer Relevanz ist. Die Eigenschaft einer Δsll0944 Mutante, während der Chlorose vermehrt Glykogen abzubauen, wurde genutzt, um einen PHB Überproduktionsstamm zu erzeugen. Dazu wurden in einem Δsll0944 Stamm PHB-Biosynthese-Gene überexprimiert, wodurch der höchste jemals gemessen PHB Gehalt in einem phototrophen Organismus erzeugt wurde. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern unser Verständnis vom PHB Metabolismus in Synechocystis und legen somit die Grundlage für eine nachhaltige, CO2-neutrale PHB Produktion.

Author

• Koch, Moritz

Identifier

hdl:10900/107659

OAI record oai:identifier

https://publikationen.uni-tuebingen.de/oai/request?verb=GetRecord&metadataPrefix=mets&identifier=oai%3Apublikationen.uni-tuebingen.de%3A10900%2F107659