SCyCode - Entschlüsselung der Umstellung des cyanobakteriellen Kohlenhydratstoffwechsels und dessen Regulierung durch enzymkinetische Analysen und mathematische Modellierung

• Antragstellerin: Professorin Dr. Bettina Siebers
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397695561

Synechocystis sp. PCC 6803 (im Folgenden als Synechocystis bezeichnet) besitzt eine breite metabolische Diversität und kann sowohl photoautrotroph, heterotroph als auch photomixotroph wachsen. Neben dem auto- und heterotrophen Tagesrhythmus werden auch Übergänge von einem photoautotrophen zu einem heterotrophen Lebensstil „Autotrophie-Heterotrophie-Wechsel” als Reaktion auf anorganische Kohlenstoff- und Stickstoffschwankungen induziert.Insbesondere der Primärstoffwechsel von Synechocystis ist durch parallele Stoffwechselwege, mit zum Teil gemeinsamen Enzymreaktionen und multiplen Isoenzymen gekennzeichnet. Unter den verschiedenen Stoffwechselwegen ist der Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) Weg der einzige reversible Stoffwechselweg mit Funktion in der Gluconeogenese und Glycolyse. In früheren Studien wurde gezeigt, dass bei Synechocystis die biochemische Kontrolle vermutlich die Transkriptionskontrolle dominiert, um den zentralen Kohlenstoffmetabolismus auf veränderte Kohlenstoffverfügbarkeit anzupassen. Wir stellten daher die Hypothese auf, dass verschiedene Isoenzyme unterschiedliche kinetische und regulatorische Eigenschaften besitzen könnten, um den Autotrophie-Heterotrophie-Wechsel durchzuführen.In der ersten Förderperiode identifizierten wir die beiden Isoenzyme Phosphofruktokinase (PFK) und Pyruvatkinase (PK) sowie Phosphoglyceratkinase (PGK) als neue Kontrollpunkte des cyanobakteriellen EMP Wegs. Diese Studien wurden in enger Zusammenarbeit mit Jacky Snoep (Co-PI) und den Gruppen von Martin Hagemann und Kirstin Gutekunst durchgeführt. Unsere Ergebnisse deuten auf eine komplexe Regulation hin, die von der Energieladung der Zelle, der Verfügbarkeit reduzierter / oxidierter Elektronenträger (d.h. NAD(P)+ oder NAD(P)H + H+) und dem Redoxzustand der Zelle (d.h. Thioredoxin/Ferredoxin) bestimmt wird. Darüber hinaus scheinen die zellulären Konzentrationen von Schlüsselintermediaten wie Glucose-6-phosphat oder 3-Phosphoglycerat eine bedeutende Rolle zu spielen.Ziel dieses Teilprojekts in der zweiten Förderperiode ist es, zusätzliche detaillierte Enzymcharakterisierungen in Kombination mit detaillierten reaktionskinetischen mathematischen Modellen (Co-PI Jacky Snoep) bereitzustellen. Sie sollen helfen diese wichtigen Kontrollpunkte zu charakterisieren, die den Kohlenstofffluss als Reaktion auf Wachstumsbedingungen also den „Autotrophie-Heterotrophie-Wechsel“ regulieren. Daher konzentrieren wir uns auf die antagonistischen Enzympaare und den Triosephosphat-Knoten als Kontrollpunkte des EMP Stoffwechselweges. Darüber hinaus wird der Fluss von Glucose-6-phophat aus Glykogen oder Glucose in das EMP oder alternative katabolische Wege sowie die Regulierung des unteren EMP Zweigs untersucht. Diese Studien werden in enger Zusammenarbeit mit unseren SCyCode-Partnern Karl Forchhammer, Sofia Doello, Martin Hagemann und Kirstin Gutekunst durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2816: The Autotrophy-Heterotrophy Switch in Cyanobacteria: Coherent Decision-Making at Multiple Regulatory Layers
• Internationaler Bezug: Südafrika
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jacky Snoep