Screening of microbial genomes towards new enzymes for the synthesis of compatible solutes
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurden molekulare Prozesse der Salz- und Trockenstressanpassung bei Cyano- und heterotrophen Bakterien, Rotalgen sowie transgenen Pflanzen erforscht. Dabei haben wir uns besonders auf die Akkumulation sogenannter „compatible solutes“ aus der Gruppe der Heteroside, die aus einem Zuckerbestandteil und einem Polyolbaustein bestehen, konzentriert. Ausgehend von unseren Vorarbeiten zur Akkumulation von Glucosylglycerol (GG) in salzbelasteten Zellen von Cyanobakterien wurden die Syntheseenzyme für diese Substanz in heterotrophen Bakterien identifiziert. Im Unterschied zu Cyanobakterien nutzen diese Organismen Fusionsproteine zur GG-Synthese, die sowohl aus einer Zuckerphosphat-Synthasedomäne, die zur cyanobakteriellen homolog ist, als auch einer Phosphatase-Domäne, die nicht mit dem cyanobakteriellen Protein verwandt ist, bestehen. Diese Enzyme weisen ebenfalls eine breitere Substratspezifität auf, sie können neben ADP- auch UDP-Glucose verwenden. Nach Transfer von Genen für diese Fusionsproteine konnten auch erfolgreich transgene Pflanzen (Arabidopsis sowie Kartoffel) erzeugt werden, die große Mengen an GG akkumulieren und auch eine verbesserte Salz- sowie Trockentoleranz ausweisen. Zu Beginn unserer Arbeiten war von allen marinen Cyanobakterien bekannt, dass diese zum Wachstum im marinen Milieu GG als bevorzugtes „compatible solute“ akkumulieren. In den Genomen von Prochlorococcus-Stämmen, die eine dominierende Cyanobakteriengruppe im zentralen Ozean darstellen, wurden keine Gene für die GG-sondern für die Glucosylglycerat-(GGA)-Synthese gefunden. Durch physiologische und molekulare Untersuchungen konnten wir erstmals die Funktion von GGA als Schutzsubstanz für Cyanobakterien bestätigen. Weitere Experimente zeigten, dass neben der osmotischen Wirkung das geladene GGA auch anstelle von Glutamat als Gegenion für Kalium zu wirken scheint. Weiterhin konnte in dem global bedeutsamen, N2-fixierenden Crocosphaera watsonii ein für Cyanobakterien neues Trehalose-Syntheseenzym molekular charakterisiert werden, das durch horizontalen Gentransfer von diesen Stämmen erworben wurde und die GG-Synthese ersetzt hat. Schließlich wurde das Syntheseenzym von Galactosylglycerol, welches als (Iso)Floridosid das Hauptsyntheseprodukt in Rotalgen darstellt, identifiziert. Wir konnten das erste Gen für eine kombinierte Isofloridosid-Phosphat Synthase/Phosphatase in der extremophilen Rotalge Galdieria sulphuraria charakterisieren. Neben dem besseren Verständnis der Salzanpassung können unsere Erkenntnisse auch praktische Bedeutung erlangen, da „compatible solutes“ in der Pharma- und Kosmetikindustrie als wertvolle Zusätze genutzt werden sowie deren Akkumulation Organismen gegen abiotischen Stress schützt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008) The plant-associated bacterium Stenotrophomonas rhizophila expresses a new enzyme for the synthesis of the compatible solute glucosylglycerol. J. Bacteriol. 190:5898-5906
Hagemann M, Ribbeck-Busch K, Klähn S, Hasse D, Steinbruch R, Berg G
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(2009) Ecological genomics of marine picocyanobacteria. Microbiol. Molec. Biol. Rev. 73:249-299
Scanlan DJ, Ostrowski M, Mazard S, Dufresne A, Garczarek L, Hess WR, Post AF, Hagemann M, Paulsen I, Partensky F
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(2009) Expression of the ggpPS gene for glucosylglycerol biosynthesis from Azotobacter vinelandii improves the salt tolerance of Arabidopsis thaliana. J. Exp. Bot. 60:1679-1689
Klähn S, Marquardt DM, Rollwitz I, Hagemann M
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(2010) Glucosylglycerate as a secondary compatible solute common to marine cyanobacteria from nitrogen-poor environments. Environ. Microbiol. 12:83-94
Klähn S, Steglich C, Hess W, Hagemann M
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(2010) The gene ssl3076 encodes a protein mediating the salt-induced expression of ggpS for the biosynthesis of the compatible solute glucosylglycerol in Synechocystis sp. strain PCC 6803. J. Bacteriol. 192: 4403-4012
Klähn S, Höhne A, Simon E, Hagemann M
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(2011) Compatible solute biosynthesis in cyanobacteria. Environ. Microbiol. 13:551-562
Klähn S, Hagemann M
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(2011) Molecular biology of cyanobacterial salt acclimation. FEMS Microbiol. Rev. 35:87-123
Hagemann M
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(2012) The marine cyanobacterium Crocosphaera watsonii WH8501 synthesizes the compatible solute trehalose by a laterally acquired OtsAB fusion protein. Environ. Microbiol. 14:1261-1271
Pade N, Compaoré J, Klähn S, Stal LJ, Hagemann M
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(2013) Cyanobacterial salt stress acclimation: genetic manipulation and regulation. In: Stress Biology of Cyanobacteria: Molecular Mechanisms to Cellular Responses. A.K. Srivastava, A.N. Rai, B.A. Neilan (Eds.), pp. 189-202, CRC Press, Taylor and Francis
Pade N, Hagemann M
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(2013) Genomics of Salt Acclimation: Synthesis of Compatible Solutes among Cyanobacteria. In: Genomics of Cyanobacteria. F. Chauvat & C. Cassier-Chauvat (Eds.), pp. 27–55, Elsevier Ltd.
Hagemann, M
