Molekularbiologische Studien neu entdeckter Biosynthesewege in den Cyanobakterien Anabaena und Synechocystis und ihre Bedeutung für die Bildung zellulärer Reservestoffe und autotrophe Lebensweise

Abstract

Die kumulative Dissertation besteht aus drei Teilen: Das Enzym CphA2 wurde als eine Cyanophycin Synthetase eines neuen, bisher unbekannten Typus charakterisiert. CphA2 katalysiert die Synthese des stickstoffreichen Reservepolymers Cyanophycin durch Verknüpfung von β-Aspartyl-Arginin-Einheiten unter Einsatz eines Moleküls ATP. Durch die Verwendung von β-Aspartyl-Arginin, einem Produkt des Cyanophycin- hydrolysierenden Enzyms Cyanophycinase, kann CphA2 als wichtiges Recyclingenzym fungieren. Homologe von CphA2 konnten in einzelligen und filamentösen, stickstofffixierenden Cyanobakterien identifiziert werden, die auch eine CphA1 besaßen. Neben einem lichtabhängigen Serin-Biosyntheseweg existiert ein lichtunabhängiger Weg für die Synthese von Serin, der Phosphoserin-Biosyntheseweg. Die Gene, die die relevanten Enzyme PGDH, PSTA und die PSP aus Synechocystis sp. PCC 6803 kodieren, wurden identifiziert und die Proteine umfassend biochemisch in vitro charakterisiert. Es konnte durch Kombination aller drei Enzyme mit den Substraten 3PGA (3-Phosphoglycerat), NAD+ und Glutamat gezeigt werden, dass der Phosphoserin-Biosyntheseweg in vitro rekonstituiert werden kann. Untersuchungen an Mutanten weisen darauf hin, dass dieser Stoffwechselweg essentiell in Synechocystis sp. PCC 6803 und Synechococcus elongatus sp. PCC 7942 sein könnte. Das Enzym All1371 aus Anabaena sp. PCC 7120 ist die erste strikt PolyP- abhängige Glukokinase, die in Cyanobakterien charakterisiert wurde. Das Enzym phosphoryliert ausschließlich mit Hilfe von PolyP die Substrate Glukose oder Mannose zu Glukose-6-Phosphat bzw. Mannose-6-Phosphat. Das Enzym katalysiert eine Zwei-Substrat Reaktion, die einem bi-bi-ping-pong Mechanismus folgt. Physiologische Untersuchungen an einer all1371 defizienten Mutante, GFP Promotorstudien und bioinformatische Analysen deuten darauf hin, dass das Enzym besonders in Heterozysten-bildenden Cyanobakterien unter Stickstoff- mangelbedingungen eine besondere Rolle spielt.