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Projekt
Metabolische Regulation des Kohlenstoffexports vom CBB Zyklus bei variierendem CO2-Angebot
Antragsteller
Professor Dr. Martin Hagemann
Fachliche Zuordnung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Förderung
Förderung seit 2018
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397695561
Cyanobakterien sind photoautotrophe Organismen, die im Licht CO2 assimilieren und während der Nacht organische Moleküle heterotroph abbauen. Weiterhin aktiviert Synechocystis den Kohlenstofffluss aus dem Calvin-Zyklus in Richtung untere Glykolyse und baut Glykogenreserven nach Umsetzen von Hoch- in Niedrig-CO2-Bedingungen ab, was auf eine Umstellung von autotrophem zu heterotrophem Metabolismus im Licht hindeutet. In den nichtkompartimentierten Zellen laufen somit anabole und katabole Stoffwechselwege parallel ab, die entsprechend reguliert werden müssen. Wir nehmen an, dass Isoenzyme an metabolischen Verzweigungsstellen zwischen dem Calvin-Zyklus und der Glykolyse (z.B. Phosphoglycerat-Mutasen, PGAM, bzw. Glyceraldehyd-3-Phosphat Dehydrogenasen, GapDH) für diese Veränderungen zumindest teilweise verantwortlich sind. In der ersten Projektphase haben wir die Rolle von GapDHs und PGAMs mit Hilfe spezifischer Mutanten im anabolen bzw. katabolen Kohlenstofffluss in Abhängigkeit vom CO2-Gehalt untersucht. Für den Kohlenstofffluss in Richtung untere Glykolyse ist hauptsächlich PGAM1 verantwortlich, dessen Aktivität durch das regulatorische Protein PirC an- oder abgeschaltet wird, während die anderen PGAM Isoenzyme eher nicht beteiligt sind. Weitere Experimente zeigten, dass die GapDH1 kein NADPH2 nutzen kann und am heterotrophen Stoffwechsel teilnimmt. Die GapDH2 ist am Calvin-Zyklus beteiligt und wird hauptsächlich durch das Protein CP12 reguliert. Untersuchungen des Phosphoproteoms zeigten, dass CP12 sowie Untereinheiten eines Bikarbonattransporters unter CO2-Mangel dephosphoryliert werden, während die Phosphorylierung der Proteinkinase SpkC zunimmt. Daneben scheinen weitere Proteinkinasen an der CO2-Anpassung mitzuwirken. Schließlich ergaben Metabolomstudien an Zellen im Tag/Nacht Rhythmus Hinweise, dass RubisCO auch in der Nacht aktiv ist.Aufbauend auf diesen Ergebnissen wollen wir in der zweiten Projektphase zusammen mit weiteren SCyCode Gruppen vier Schwerpunkte untersuchen. 1. Welche Rolle spielt CP12, insbesondere dessen differenzielle Phosphorylierung, bei der Regulation der Calvin-Zyklus-Aktivität im Licht? 2. Welche Proteinkinasen bzw. –phosphatasen sind für die differentielle Phosphorylierung von Proteinen während der CO2- Anpassung verantwortlich? 3. Inwieweit ist RubisCO in Synechocystis in der Dunkelphase aktiv und wird durch diphosphorylierte Zucker reguliert? 4. Die vorhandenen Datensätze werden schließlich gemeinsam mit einem Mercator Fellow in ein kinetisches Modell der CO2-Anpassung des Grundstoffwechsels integriert. Diese Untersuchungen sollen auch ermöglichen, den cyanobakteriellen Kohlenstoffwechsel zukünftig gezielt für biotechnologische Anwendungen zu optimieren.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
