Charakterisierung der selektiven Durchlässigkeit von Hüllproteinen des Carboxysoms und deren Bedeutung für die Effizienz der CO2 Fixierung

• Antragsteller: Dr. Manuel Sommer
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289026613

Photosynthese erzeugt chemische Energie, indem sie Lichtenergie zur Produktion von Zuckern aus CO2 nutzt. Cyanobakterien sind photoautotrophe Prokaryoten, die einen großen Beitrag zu dieser Zuckerproduktion leisten, da sie für 60% der marinen Photosyntheseleistung verantwortlich sind. Ein Schlüsselenzym für die CO2 Fixierung ist RuBisCO. Die carboxylierende Aktivität dieses Enzyms wird durch die Anwesenheit von CO2 gesteigert und durch O2 gesenkt, weshalb autotrophe Lebewesen CO2 anreichernde Mechanismen (CCMs) entwickelt haben um die Photosynthese in sauerstoffreichen Umgebungen zu optimieren. Der CCM der Cyanobakterien konzentriert RuBisCO in aus Proteinen bestehenden Mikrokompartimenten, den Carboxysomen, in denen CO2 angereichert und O2 ausgeschlossen wird. Die Carboxysomenhülle formt ein Ikosaeder, das durch sechseckige Protein-Oligomere begrenzt wird. Trotz ausreichender Kenntnis dieser Struktur wurde noch nicht gezeigt, wie Metabolite durch die Hülle der Carboxysomen diffundieren. Strukturanalyse zeigte, dass die Hüllproteine CcmK3, CcmK4 und CcmP Oligomere bilden, die eine zentrale Pore besitzen. Der Durchmesser dieser Pore ist 4 Å in CcmK Oligomeren und 13 Å in CcmP Oligomeren. Diese Größe ist ausreichend für die Substrate und Produkte der RuBisCO. Das Ziel dieses Projekts ist es, CcmK3, CcmK4 und CcmP Mutanten bezüglich ihres Effekts auf die Durchlässigkeit der Carboxysomenhülle und der Effizienz der CO2 Fixierung zu untersuchen und so die Funktion dieser Proteine in Cyanobakterien zu charakterisieren. Um dieses Ziel zu erreichen, werde ich den Wildtyp sowie die ccm-Mutanten von Synechococcus elongatus PCC 7942 wachsen lassen und dann in a) Starklicht und b) CO2 Mangel überführen. Ich werde durch den Transfer ausgelöste Veränderungen des Metaboloms in Wildtyp und Mutanten vergleichen, da sich eine ccm-Genmutation sehr wahrscheinlich auf die Konzentration der Metabolite des Kohlenstoffmetabolismus auswirkt. Um die Auswirkungen der ccmK3, ccmK4 und ccmP Mutation auf den Stoffwechsel zu erfassen, werde ich die Veränderungen der Genexpression während des Transfers durch Transkriptom- und Proteomanalyse bestimmen. Vorläufige Ergebnisse zeigen einen lichtabhängigen Wachstums-Phänotyp der ccmK3 ccmK4 und der ccmP Mutante. Dies weist darauf hin, dass die ccm Gene eine Funktion für assimilatorische Prozesse haben.Ich vermute, dass CcmK3, CcmK4 und CcmP am Metabolit-Transport über die Carboxysomenhülle beteiligt sind und dass ihre Mutanten eine geringe Durchlässigkeit für RuBisCO Substrate oder Produkte aufweisen. Metabolomanalysen von stark belichteten sowie limitierendem CO2 ausgesetzten Zellen werden entstehende Engpässe für den Metabolittransport aufzeigen. Transkriptom- und Proteomanalyse werden dazu beitragen, die Dynamik der Anpassung von Carboxysomen an Starklicht zu verstehen. Zusätzlich werden sie zeigen, wie die Antwort auf veränderte Umweltbedingungen durch die neuen Eigenschaften der Carboxysomen in den Mutanten beeinflusst wird.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeberin: Professorin Cheryl Kerfeld, Ph.D.