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Dissertation/Thesis Abstract

Sugar Metabolism: From Enzyme Cascades Towards Physiology and Application
by Shen, Lu, Ph.D., Universitaet Duisburg-Essen (Germany), 2019, 215; 28274447
Abstract (Summary)

Unten den bis heute entdeckte Archaea, S. solfataricus und S. acidocaldarius gehören zu den am besten untersuchten Spezies. Ihr zentraler Kohlenhydratstoffwechsel (ZKW) wurde detailliert aufgeklärt, wobei jedoch einige Fragen im Hinblick auf die (Abbau)Wege verschiedener Kohlenstoffquellen und deren Regulierungsmechanismen bisher nicht beantwortet sind. In dieser Arbeit wurden einige dieser offenen Fragen bearbeitet, wodurch das Verständnis der ZKW in Archaea verbessert wurde. In Kapitel 3.1 wurden die putative Pyruvat Kinase und die Phosphoenolpyruvat Synthetase (PEPS) aus S. solfataricus, die Umsetzung zwischen PEP und Pyruvat katalysieren und damit die Schaltstelle zwischen Glykolyse und Gluconeogenese bilden, rekombinant exprimiert, gereinigt und charakterisiert, was die entsprechenden annotierten Funktionen bestätigte. Darüber hinaus wurde durch Effektorstudien gezeigt, dass die Sso-PK durch ATP und Isocitrat und die Sso-PEPS durch AMP und α-Ketoglutarat allosterisch inhibiert wurden. Das deutet darauf hin, dass beim Umschalten zwischen kataboler und anaboler Richtung die Glykolyse durch eine hohe Energieladung der Zelle (hohe ATP-Konzentration) und Anhäufung von Bausteinen im TCA-Zyklus (Isocitrat) inhibiert wird. Dagegen wird die Gluconeogenese bei niedriger Energieladung (hohe AMP-Konzentration) und bei Ammoniumlimitierung verringert. In Kapitel 3.2 wurden Pentose-Transport und Pentose-Abbauwege in S. acidocaldarius intensiv untersucht. Dazu wurden Transkriptomanalysen, Enzymaktivitätsassays im zellfreien Extrakt, Proteinexpression, -reinigung und -charakterisierung sowie die Konstruktion von Gendeletionsmutanten und deren phenotypische Charakterisierung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass ein ABC (ATP binding casette) -Transporter für die Pentoseaufnahme verantwortlich ist und dass D-Xylose sowie L-Arabinose hauptsächlich über den Weimberg-Weg abgebaut werden, während der Dahms-Weg in S. acidocaldarius MW001 auf den Pentose Abbau keinen Einfluss hat. In Kapitel 3.3 wurde basierend auf einem integrierten systembiologischen Ansatz ein Weg für den Abbau von L-Fucose in S. solfataricus vorgeschlagen. Die Aktivität der verantwortlichen Enzyme im zellfreien Extrakt der L-Fucose-Zellen wurde gezeigt, und die beteiligten Proteine wurden rekombinant exprimiert, gereinigt und charakterisiert. Sulfolobus spp. sind bekannt für ihre metabole Vielseitigkeit, die durch die Verwendung einer großen Vielfalt verschiedener Kohlenstoffquellen sowie durch weitere Eigenschaften einschließlich einzigartiger Stoffwechselwege, Zellstruktur und durch einzigartige Wachstumsbedingungen ihren Ausdruck findet. Daher bieten Sulfolobus spp. ein großes Potenzial für die industrielle Anwendung, was in Kapitel 3.4 zusammengefassend dargestellt wird. In Kapitel 3.5 wurde der Weimberg-Weg für den D-Xylose-Abbau in dem mesophilen Bakterium Caulobacter crescentus intensiv untersucht. Alle beteiligten Proteine wurden rekombinant exprimiert, gereinigt und detailliert charakterisiert. Basierend auf den enzymatischen Parametern wurde ein kinetisches Modell für den gesamten Stoffwechselweg ausgearbeitet, mit dem die Effizienzen der Enzymkaskade unter verschiedenen in vitro und in vivo Bedingungen präzise vorhergesagt werden konnten. Dadurch wird ein rationales, computergestütztes Pathway-Design ermöglicht, was durch die Optimierung des Weimberg-Weges im Hinblick auf die beste Umwandlungseffizienz gezeigt werden konnte. Das breite Anwendungspotenzial dieser Enzymkaskade wurde zudem durch die Produktion von reinen 2-Keto-3-deoxy-Zuckersäuren und 4-Hydroxyisoleucin nachgewiesen.

Indexing (document details)
Advisor: Siebers , Bettina
Commitee:
School: Universitaet Duisburg-Essen (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 82/5(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Microbiology, Physiology
Keywords: Sulfolobus, carbohydrate metabolism
Publication Number: 28274447
ISBN: 9798691218248
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