YggB of Corynebacterium glutamicum - Dual function in osmotic stress response and glutamate production

Börngen, Kirsten (2009). YggB of Corynebacterium glutamicum - Dual function in osmotic stress response and glutamate production. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

The membrane protein YggB of Corynebacterium glutamicum was previously described to belong to the MscS-type family of mechanosensitive (MS) channels functioning as emergency valves upon osmotic downshift. Bacterial cells respond to rapid water influx by immediate activation of MS channels that allow efflux of compatible solutes to prevent cell lysis. Recently, YggB was also connected to the glutamate export in C. glutamicum under glutamate productive conditions. The mechanism of glutamate export is not fully understood so far although C. glutamicum has been used for the industrial production of amino acids for decades. Deletion of yggB led to a drastic decrease in glutamate excretion while truncation of 110 AA resulted in continuous export of glutamate. In this work YggB was characterized with respect to its dual function as MS channel on the one hand and in the excretion of glutamate on the other. Using the patch clamp technique and additional physiological approaches it was shown that YggB harbors the functions of a pressuresensitive MS channel similar to the E. coli homolog MscS. However, for the first time also an involvement of a MS channel in bacterial response to hyperosmotic conditions was shown. A so called "pump and leak" model including active betaine uptake (via BetP) and passive betaine efflux (via YggB) to accurately adjust the internal solute concentration, which are accumulated under hyperosmotic conditions to balance the osmotic gradient, is proposed. Concerning the second function of YggB in the glutamate production of C. glutamicum the integrity of the C-terminal domain was shown to have a strong effect on the inducibility of glutamate production. However, the exact function of the C-terminal domain cannot be unequivocally clarified. Additionally, this work provides strong evidence that glutamate excretion is triggered directly by the C. glutamicum MS channel YggB.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
YggB aus Corynebacterium glutamicum: Duale Funktion in der osmotischen Stressantwort und in der Glutamatproduktion	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Das Membranprotein YggB aus Corynebacterium glutamicum gehört zu der MscSähnlichen Familie von mechanosensitiven (MS) Kanälen, die im Fall eines osmotischen downshifts als Notfallventil dienen. Bakterielle Zellen antworten auf plötzlichen Wassereinstrom mit der direkten Aktivierung der MS Kanäle, die den Ausstrom von kompatiblen Soluten aus der Zelle erlauben und so die Zelllyse verhindern. Vor kurzem wurde YggB auch mit dem Export von Glutamat aus C. glutamicum unter Glutamatproduzierenden Bedingungen in Verbindung gebracht. Der Mechanismus des Glutamatexports ist bisher nicht bekannt, obwohl C. glutamicum seit Jahrzehnten zur industriellen Produktion von Aminosäuren genutzt wird. Deletion von yggB hat eine drastische Verringerung der Glutamat Ausscheidung zur Folge während eine Verkürzung um 110 Aminosäuren zu kontinuierlich stattfindender Glutamatproduktion führt. In dieser Arbeit wurde YggB in Bezug auf seine duale Funktion charakterisiert, zum einen als MS Kanal und zum andern bei der Exkretion von Glutamat. Mit Hilfe der Patch clamp Technik und weiteren physiologischen Ansätzen konnte gezeigt werden, dass YggB die Funktionen eines Druck-sensitiven MS Kanals ähnlich wie das E. coli Homolog MscS besitzt. Allerdings konnte in dieser Arbeit auch zum ersten Mal eine Beteiligung eines MS Kanals in der bakteriellen Antwort auf hyperosmotische Bedingungen gezeigt werden. Ein sogenanntes "pump and leak" Modell wird vorgeschlagen, welches die aktive Aufnahme (via BetP) und den passiven Ausstrom von Betain (via YggB) beinhaltet, um die interne Solutkonzentration, welche unter hyperosmotischen Bedingungen akkumuliert werden um den osmotischen Gradienten auszugleichen, sehr genau einzustellen. Bezogen auf die zweite Funktion von YggB in der Glutamatproduktion von C. glutamicum, konnte gezeigt werden, dass die Integrität der C-terminalen Domäne einen starken Effekt auf die Induzierbarkeit der Glutamatproduktion hat. Allerdings bleibt die genaue Funktion der Cterminalen Domäne von YggB unklar. Zusätzlich liefert diese Arbeit starke Anhaltspunkte dafür, dass der Export von Glutamat direkt durch den MS Kanal YggB aus C. glutamicum vermittelt wird.

German

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