Detailseite
Projekt
Regulation des Glycogenstoffwechsels im Zug der Autotrophie-Heterotrophie Umschaltung in Cyanobakterien
Antragsteller
Professor Dr. Karl Forchhammer
Fachliche Zuordnung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Förderung
Förderung seit 2018
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397695561
Die Synthese und Umwandlung von Kohlenstoff-Speicherpolymeren spielt eine entscheidende Rolle, wenn Cyanobakterien ihren Stoffwechsel umschalten zwischen einem autotrophen und heterotrophen Modus. Zusammen mit den Projektpartnern Gutekunst, Hagemann und Macek konnten wir in unseren jüngsten Arbeiten große Fortschritte erzielen für ein besseres Verständnis des Kohlenstoff-Speicherstoffwechsels und dessen Regulation. Wir konnten am Modellorganismus Synechocystis PCC 6803 zeigen dass die beiden Kohlenstoff-Speicherpolymere Glycogen und Polyhydroxybutyrat durch den glycolytischen Fluss über den Emden-Meyerhof-Parnas (EMP) Weg verbunden sind. Eine wichtige Kontrollstelle für den Stofffluss ist dabei die durch das Enzym Phosphoglycerat Mutase katalysierte Umwandlung von 3-Phosphoglycerat (3-PGA) zu 2-PGA, die sich als ein zentraler Schalter für den Autotrophie-Heterotrophie Wechsel herausstellte. Die Speicherung von Glycogen wird dann lebensnotwendig, wenn die Zellen unter Stickstoffmangel geraten. Wird dann Stickstoff wieder verfügbar, werden die Glycogenreserven sehr schnell metabolisiert und der Stoffwechsel schaltet dabei in den heterotrophen (glycolytischen) Modus um. In dieser Situation ist die Bildung von ATP abhängig von einem Natriumionen-Gradienten an der cytoplasmatischen Membran. Die Aktivierung der Stickstoff-assimilierenden Reaktionen setzt dabei den Glycogenabbau in Gang, der durch eines der beiden Glycogen-Phosphorylase Isoenzyme (GlgP2) katalysiert wird. Die anschließende Umwandlung von Glucose-1-Phosphat (Glc-1P) zu Glc-6P durch das Enzym Phosphoglucomutase (PGM) wird durch Phosphorylierung der PGM an einem regulatorischen Serin-Rest strikt kontrolliert. Diese regulatorische PGM Phosphorylierung scheint sogar in Säuger-PGM Enzymen konserviert zu sein. Darüber hinaus entdeckten wir, dass die PGM einen vom Redox-Status abhängigen Komplex bildet mit dem nachfolgenden Enzym im Stoffwechselweg, der Glycose-6-P Dehydrogenase (G6PDH), vermittelt durch das Verbindungsprotein OpcA. Wir vermuten, dass durch die Bildung dieses Multi-Enzym-Komplexes (auch Metabolon genannt) der Stofffluss von Glycogen in den oxidativen Pentosephosphat-Weg gelenkt wird. Dadurch wird der Fluss in den EMP-Weg unterbunden, der beim Ergrünen von Stickstoff-gehungerten Zellen nicht benötigt wird. In der zweiten Projektphase wollen wir die Struktur-Funktionsbeziehungen des PGM-OpcA-G6PDH Metabolons aufklären. Daürber hinaus wollen wir offensichtlich neue regulatorische Eigenschaften der Glycogen-metabolisierenden Maschinerie und dessen Einbindung ins zelluläre Geschehen aufklären unter Zuhilfenahme von Modell-basierten Ansätzen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
