(SCyCode): Metabolom und metabolische Flux Analysen zur Erforschung von Übergängen zwischen heterotrophem und autotrophem Wachstum

• Antragsteller: Dr. Joachim Kopka
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397695561

Cyanobakterien wachsen unter photoautotrophen und unter heterotrophen Bedingungen. Photo-Autotrophie assimiliert mit Lichtenergie Kohlenstoff und Stickstoff in organisches Material. Heterotrophie nutzt zuvor assimiliertes organisches Material für Energieproduktion und für biosynthetische Prozesse, die für Wachstum nötig sind. Dementsprechend nutzen Autotrophie und Heterotrophie einen Teil der metabolischen Reaktionswege in entgegengesetzter Richtung. Um verschwenderische zirkuläre Reaktionen zu vermeiden, regulieren Cyanobakterien ihren Metabolismus und wechseln zwischen autotrophen und heterotrophen Modi durch Partitionierung von Stoffwechselwegen über Proteinmikrokörper (Carboxysomen), metabolische Kontrolle, z.B. alternative metabolische Redox-Kofaktoren, wie NAD oder NADP, oder durch Substrat-Channeling. Die SCyCode Forschungsgruppe untersuchte in der vorherigen Förderperiode Wechsel zwischen Autotrophie und Heterotrophie, z.B. Übergänge zwischen Licht und Dunkelheit, sowie Wechsel von Kohlenstoff- oder Stickstoff-Verfügbarkeit. SCyCode Partner haben wichtige Aspekte für weitergehende Untersuchungen identifiziert, insbesondere Hinweise auf inkomplette Deaktivierung von RubisCO Aktivität in der Dunkelheit mit einem Beitrag des Regulator Proteins RpaA zu diesem Phänomen und Evidenz für redox-reguliertes Glucose-6-Phosphat (Glc6P) Channeling zwischen den Enzymen Phosphoglucomutase und Glc6P Dehydrogenase in Richtung der Entner-Doudoroff und oxidativen Pentosephosphat Stoffwechselwege. Dieser Teilantrag trägt Kompetenz für metabolisches Phänotypisieren und für metabolische Flussanalyse zu dem Erneuerungsantrag der SCyCode Forschungsgruppe bei. Die Arbeitsgruppe Kopka wird in Zusammenarbeit mit den Gruppen Wilde und Hagemann 13CO2- and 18O2-Markierungsexperimente durchführen, um Synechocystis RubisCO Aktivität in Wildtyp und ΔrpaA Mutanten-Zellen in Dunkelheit und unter Beleuchtung zu untersuchen. Wir werden in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Forchhammer in vitro und in vivo Tests für Glc6P-Channeling entwickeln und hierfür gereinigte PGM und G6PDH Enzyme verwenden, sowie native und mutierte Varianten des Gerüst- und Regulator-Proteins OpcA. Zudem wird die Arbeitsgruppe Kopka mit den Gruppen Hess und Spät/ Maček zur Etablierung weiterer Grundlagentechnologien beitragen, speziell zur Analyse von Protein-Metabolit Komplexen. Dies wird mit Fokus auf RubisCO und RpaA Interaktionen unter Umschaltbedingungen zwischen Heterotrophie und Autotrophie stattfinden. Schließlich wird die Arbeitsgruppe Kopka zuvor erzeugte und neue Fluxom Datensätze in silico untersuchen, um 13C-positionsspezifische Isotopomeranalyse für die RubisCO und die parallel erfasste Phosphoenolpyruvatecarboxylase Reaktion zu ermöglichen. Dieses Teilprojekt wird die verschiedenen SCyCode Forschungsansätze integrieren und mit den Partnern neue metabolische Einsichten gewinnen, die nur durch die Kombination der spezifischen molekularen Verfahren der Partner ermöglicht werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2816: The Autotrophy-Heterotrophy Switch in Cyanobacteria: Coherent Decision-Making at Multiple Regulatory Layers
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartnerin: Dr. Aleksandra Skirycz