Unraveling the Function of Sll0944 in the Regulation of Carbon and Nitrogen Metabolism in Synechocystis sp. PCC6803

Abstract

Cyanobakterien sind als die Pioniere der oxygenen Photosynthese anerkannt und haben vor zwei Milliarden Jahren maßgeblich zur Umgestaltung der Erdat-mosphäre beigetragen. Im Laufe ihrer Evolution haben sie eine Vielzahl von Anpassungsmechanismen entwickelt, um sich an ständig wechselnde Umwelt-bedingungen zu gewöhnen. Ein zentraler Bestandteil dieser Anpassungen ist das regulatorische Netzwerk des Stickstoff-Regulations-Proteins PII. In dem nicht-diazotrophen Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 steuert PII eine Vielzahl von Stoffwechselprozessen, die für die Aufrechterhaltung der Kohlenstoff- und Stickstoff-Homöostase essentiell sind. Die Regulation erfolgt über die Bindung von ATP, ADP und 2-Oxoglutarat, die je nach Energie- und Nährstoffverfügbarkeit als Signalmoleküle dienen. Unter Bedingungen eines ausgeglichenen Energiehaushalts und ausreichender Nährstoffversorgung ge-währleistet PII eine effiziente Bereitstellung von Aminosäurevorläufern und re-guliert die Fettsäuresynthese. Zudem hemmt es die Aktivierung des globalen Stickstoff-Transkriptionsregulators NtcA durch Bindung an das PII-interagierende Protein X. Unsere Ergebnisse belegen eine entscheidende Rolle von PII bei der Regulation der Kohlenstoffspeicherung unter Stickstoffmangelbedingungen. Wir konnten zeigen, dass der PII-interagierende Regulator des Kohlenstoffstoffwechsels (PirC) die Umwandlung fixierten Kohlenstoffs von der Glykolyse zur Glykogen-synthese durch Hemmung der 2,3-Bisphosphoglycerat-unabhängigen Phos-phoglycerat-Mutase beeinflusst. Diese Hemmung wird durch PII reguliert, wobei die Bindung von PirC an PII von den intrazellulären Konzentrationen von ATP, ADP und 2-Oxoglutarat abhängt. Strukturanalysen deuten darauf hin, dass PirC spezifisch mit cyanobakterien-spezifischen Elementen der Phosphoglyce-rat-Mutase interagiert und somit deren Aktivität beeinflusst. Unsere Studie legt den Grundstein für die Entwicklung von Synechocystis sp. PCC 6803 als Chas-sisorganismus für die nachhaltige Produktion von Polyhydroxybutyrat (PHB) und anderen wertvollen Verbindungen. Durch gezielte genetische Modifikatio-nen konnten wir Stämme generieren, die bis zu 80% ihres Trockengewichts in Form von PHB speichern.

Cyanobacteria are considered to be the inventors of oxygenic photosynthesis. Two billion years ago, they shaped the atmosphere by releasing oxygen. Through this time, they evolved various species with plenty of mechanisms to adapt to the constantly changing environment. Among all those mechanisms, some structures became established and further functions evolved around this basis. One of the most prominent examples of this is the regulatory network of the nitrogen-regulatory protein PII. In the non-diazotroph cyanobacterium Syn-echocystis sp. PCC 6803, PII regulates a plethora of reactions that maintain the Carbon/Nitrogen homeostasis. The regulations depend on the binding of either ATP or ADP during high energy and nitrogen availability and 2-oxoglutarate (2-OG) during low nitrogen availability. In a balanced proportion of energy and nutrition, PII ensures sufficient amounts of amino acid precursors by activating the phosphoenol pyruvate carboxylase and mitigating the fatty acid synthesis. It also binds the PII interacting protein X to prevent the activation of the global nitrogen transcriptional regulator NtcA. With the increase of 2-oxoglutarate, PII releases its binding partners, which cancels its regulations. It was suggested that PII also regulate carbon storage during low nitrogen availability. This work clarified PII's involvement in carbon storage regulation during chloro-sis. The novel discovered that the PII interacting regulator of carbon metabo-lism (PirC) changes the direction of fixed CO2 from lower glycolysis to glycogen synthesis by inhibiting the 2,3-bisphosphoglycerate-independent phospho-glycerate mutase. PII regulates this inhibition by binding the PirC during high ADP and ATP and releasing it during high 2-OG levels. PirC mediates the inhi-bition by interacting with two cyanobacteria-exclusive structural elements with-in their phosphoglycerate mutase. Furthermore, the elements also have a strong influence on the activity of the enzyme. This work also created the basis on which Synechocystis sp. PCC 6803 can be edited to create a chassis for the sustainable production of polyhydroxybutyrate (PHB) or other metabo-lism-derived valuable compounds. A strain derived from this work produced 80 % PHB of their cell dry mass.