Regulation of carbon polymer accumulation in Synechocystis sp. PCC 6803

Abstract

Cyanobakterien sind eines der ältesten bakteriellen Phyla mit vielen metabolischen Fähigkeiten. Ihre Nährstoffansprüche sind gering, denn kleinere Mengen an Mineralsalzen, gute CO2 Versorgung und Beleuchtung sind ausreichend um Wachstum sicherzustellen. Deshalb ist die Anwendung von Cyanobakterien als Biokatlysatoren für Kohlenstoffspeichertechnologien und Synthese von Feinchemikalien vorstellbar. Das CO2 der Atmosphäre wird von Cyanobakterien normalerweise in metabolischen Stoffwechselwegen fixiert und benutzt um Wachstum und Produktion von Biomasse sicherzustellen. Die Umleitung der metabolischen Flüsse zur Produktion von Chemikalien für industrielle Anwendungen ist dabei ein aktives Forschungsfeld, mit möglichen kommerziellen und ökologischen Nutzen. Cyanobakterielle Biokatalysatoren könnten dabei eine neue grüne Revolution einleiten, indem Kohlenstoffspeichertechnologien mit der Synthese von chemischen Verbindungen gekoppelt werden. Eine dieser chemisch interessanten Verbindungen ist das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure (PHB) das biologisch abbaubar, nicht giftig ist und ähnliche Materialeigenschaften aufweist wie das aus fossilen Brennstoffen hergestellte Polypropylen. Das Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 synthetisiert PHB bei ungünstigen Wachstumsbedingungen, jedoch ist die Regulation dieses Prozesses nicht vollständig geklärt. Um PHB biotechnologisch herstellen zu können, müssen die zugrundeliegenden regulatorischen Prozesse verstanden werden, so dass es möglich wird Kohlenstoffflüsse effizient für die PHB Synthese umzulenken. Diese Arbeit beschreibt die metabolischen Veränderungen, die mit PHB Synthese einhergehen und identifiziert metabolische Grundvoraussetzungen die erfüllt werden müssen um effiziente PHB Synthese in Synechocystis zu ermöglichen. Sie untersuchte dabei die Rolle des Stickstoff regulatorischen Proteins PII (GlnB) in der Regulation des acetyl-CoA Stoffwechsels, dem Vorläufer für PHB Synthese. Sie beschreibt ein regulatorisches Protein das an der PHB Oberfläche assoziiert ist, dass dazu benutzt werden kann die Polymerkettenlänge zu beeinflussen und untersucht die Oberflächenzusammensetzung des PHB Granulums in vivo. Die hier gewonnen Erkenntnisse können genutzt werden um Biokatalysatoren auf Basis von Synechocystis zu entwickeln, die eine erhöhte PHB Produktion aufweisen.