Die Kohlenstoffassimilation und die Regulation beteiligter Gene in Cyanobakterien - neue Einblicke in eine alte Angelegenheit?

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Stephan Klähn
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387876635

Die Assimilation von anorganischem Kohlenstoff ist die Grundlage für das Wachstum von photosynthetischen Organismen, z. B. Cyanobakterien. Aufgrund ihrer ökologischen und steigenden biotechnologischen Bedeutung hat sich das Interesse zur Erforschung von Cyanobakterien in den letzten Jahren stark erhöht. Im Gegensatz zu anderen Bakteriengruppen ist die Regulation des primären Kohlenstoffwechsels, insbesondere des Calvin-Benson-Bassam (CBB)-Zyklus und daran angeschlossener Stoffwechselwege in Cyanobakterien aber weitgehend unbekannt. Während meiner jüngsten Forschungsaktivitäten an dem Modellstamm Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis) wurden in diesem Zusammenhang zwei interessante Kandidaten offenbart, deren genaue Funktion nun näher untersucht werden soll. Zum einen ist das ein bisher funktionell nicht näher untersuchter Transkriptionsfaktor vom LysR-Typus (LysR-type transcriptional regulator, LTTR). In Synechocystis läßt sich dieser nicht mutieren und scheint entscheidend für die Lebensfähigkeit der Zellen zu sein. Aufgrund der generellen Bedeutung der LTTR-Familie sowohl bei der Genregulation als auch bei der Erfassung von metabolischen Signalen in Prokaryoten, ist es etwas überraschend, dass über diese Beobachtungen hinaus nichts über diesen und seine Homologe in Cyanobakterien bekannt ist. Eine entscheidende regulatorische Funktion bei der Kohlenstoffassimilation liegt allerdings nahe aufgrund der engen verwandtschaftlichen Beziehung zu zwei weiteren LTTRs, die hauptsächlich die Expression von Genen für CO2 und HCO3--Aufnahmesysteme steuern. Auf der anderen Seite wurde kürzlich die unter Stickstoffmangel stark akkumulierende RNA NsiR4 als posttranskriptioneller Regulator in Cyanobakterien identifiziert. NsiR4 reguliert in Abhängigkeit von der Stickstoffverfügbarkeit die Expression eines inhibitorischen Proteins für die Glutaminsynthetase und nimmt dabei Einfluß auf die Stickstoffassimilation. Interessanterweise deuten computergestützte Analysen darauf hin, dass NsiR4 möglicherweise auch Gene für Enzyme reguliert, die im CBB-Zyklus, an der Glykogensynthese und der photosynthetischen Elektronentransportkette beteiligt sind. Alle entsprechenden Enzyme scheinen Schlüsselrollen im Kohlenstoffmetabolismus zu spielen. Folglich könnte NsiR4 nicht nur an der Kontrolle der Stickstoffassimilation beteiligt sein, sondern auch den metabolischen Fluss von Kohlenstoff durch Regulation der Expression von Schlüsselenzymen bestimmen.Da wichtige regulatorische Aspekte im primären Kohlenstoffmetabolismus von Cyanobakterien noch weitgehend unklar sind, werden die erzielten Ergebnisse einen entscheidenden Beitrag für deren Verständnis liefern. Dies ist insbesondere von Bedeutung für das Fachgebiet der synthetischen Biologie, denn die Kohlenstoffassimilation und der Primärstoffwechsel sind die Grundlage zur Produktion biotechnologischer Erzeugnisse durch Cyanobakterien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen