Universität zu Köln

Silberbach, Maike (2004). Biochemische, biotechnologische und molekularbiologische Analyse eines Signaltransduktionsweges in Corynebacterium glutamicum. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Das gram-positive Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum hat seit seiner Entdeckung in den 1950er Jahren eine herausragende industrielle Bedeutung erlangt. Auf Grund seiner Fähigkeit zur Produktion großer Mengen an Aminosäuren wie z. B. L-Glutamat und L-Lysin wird dieser Mikroorganismus für verschiedene Fermentationsprozesse eingesetzt. Da der zelluläre Stoffwechsel und insbesondere die Aminosäurebiosynthese von der Verfügbarkeit der Stickstoffquellen abhängt, ist die detaillierte Kenntnis der involvierten Regulationsmechanismen von Interesse. Alle Prozesse, welche in die Organisation der Stickstoffaufnahme und -assimilation bei unterschiedlichen Stickstoffverfügbarkeiten involviert sind, fasst man unter dem Begriff Stickstoffkontrolle zusammen. Bisherige Projekte fokussierten die Identifizierung und Charakterisierung einzelner Komponenten der Stickstoffkontrolle in C. glutamicum. Im Gegensatz dazu war der Schwerpunkt dieser Arbeit die globale Analyse aller Gene und Proteine, deren Expression und/oder Synthese sich in Abhängigkeit der Stickstoffversorgung ändert. Einerseits wurde die Antwort von C. glutamicum auf abrupten Stickstoffhunger im Schüttelkolben und andererseits auf Stickstofflimitierung in einer kontinuierlichen Fermentation mit Fokus auf komplexe Änderungen im Transkriptions- und Proteomprofil der Zellen untersucht. Dazu kamen zwei globale Analysetechniken zum Einsatz, die DNA-Microarray-Analyse und die 2-D-Gelelektrophorese. Zwei bedeutende Adaptationsmechanismen stellten sich als die Kernkomponenten der Antwort auf beide Mangelsituationen heraus: die umfangreiche Anpassung der Transportkapazität und die Neuorganisation metabolischer Stoffwechselwege. Insbesondere Stoffwechselwege des Stickstoffmetabolismus und der Aminosäurebiosynthese waren betroffen. Die Etablierung der kontinuierlichen Fermentation erlaubte die Gewinnung von Zellmaterial aus einem definierten und gut reproduzierbaren Wachstumsstadium. Dies resultierte in einer wesentlich gerichteteren Antwort auf Stickstoffmangel, die auch eine Expressionsregulation zur Erhöhung der Proteinstabilität und zur Deckung des gesteigerten Energiebedarfs umfasste. Zusätzlich konnte die Sensitivität der globalen Analysetechniken, insbesondere der Proteomanalyse, entscheidend verbessert werden. In dieser Arbeit konnten erstmals signifikante Unterschiede zwischen den Proteommustern unlimitierter und stickstofflimitierter Zellen mit einer einfachen Coomassie-Färbung detektiert werden, welche die Daten des Transkriptomansatzes sowohl verifizierten als auch ergänzten.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Biochemical, biotechnological and molecular biological analysis of a signal transduction pathway in Corynebacterium glutamicum English
Translated abstract:	Abstract Language Corynebacterium glutamicum is a gram-positive soil bacterium with an outstanding industrial importance. Because of its capability to produce large amounts of amino acids, e. g. L-glutamate and L-lysine, this microorganism was used for several fermentation processes. Since the cellular metabolism and especially the biosynthesis of amino acids is strictly dependent on the availability of nitrogen sources, the understanding of the corresponding regulatory mechanisms is of special interest. All processes which are involved to organize nitrogen uptake and assimilation at different nitrogen availabilities are termed nitrogen control. In C. glutamicum, the AmtR-regulon has been elucidated, it is a global regulatory network which differs significantly from models postulated for other microorganisms. Former projects were concentrated on the identification and characterization of individual components of the nitrogen control. In this study, the main focus was the global analysis of all genes and proteins whose expression and/or synthesis varies in dependence of the nitrogen availability. The response of C. glutamicum to abrupt nitrogen starvation in shaking flasks on the one hand and to nitrogen limitation in a continuous fermentation process on the other hand was investigated with regard to complex changes in the transcription and protein profile. For this purpose, the global analysis techniques of DNA microarrays and 2-D- gel electrophoresis were combined. Two major adaptation strategies turned out to be the core response components in both deficiency situations, the rearrangement of the cellular transport capacity and the reorganization of metabolic pathways concerning nitrogen assimilation and amino acid biosynthesis. By continuous fermentation the possibility to to obtain cell material from a well-defined and highly reproducible growth state is given. This resulted in a more determined response to nitrogen limitation, which also included a regulation on expression level to increase energy generation and protein stability. Additionally, the sensitivity of the global analysis techniques, in particular the proteome analysis, was improved. In this study, for the first time significant differences in proteome profiles of unlimited and nitrogen limited cells were detected with standard coomassie staining. These findings both validated and complemented the obtained transcriptome data. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Silberbach, Maike maike.silberbach@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-14101
Date:	2004
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Biochemistry
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Corynebacterium glutamicum , Stickstoffkontrolle , Transkriptomanalyse , Proteomanalyse , kontinuierliche Fermentation German Corynebacterium glutamicum , nitrogen control , transcriptome analysis , proteome analysis , continuous fermentation English
Date of oral exam:	6 December 2004
Referee:	Name Academic Title Krämer, Reinhard Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1410