Untersuchungen zu Mechanismen der Stressantwort und des Kaliumtransportes in Corynebacterium glutamicum

Ochrombel, Ines (2011). Untersuchungen zu Mechanismen der Stressantwort und des Kaliumtransportes in Corynebacterium glutamicum. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Die Stressantwort von Corynebacterium glutamicum auf verschiedene abiotische Faktoren wurde physiologisch und biochemisch untersucht. Bei tiefen externen pH-Werten und unter hyperosmotischen Bedingungen ist Kalium für das optimale Wachstum von C. glutamicum essentiell. Bei niedrigen pH-Werten kommt es durch die endogene Produktion von H2O2 zu oxidativem Stress, und die Limitation der Aktivität der Cystathionin-β-Lyase führt zu einer Störung der Thiolhomöostase, was das Wachstum der Zellen einschränkt. Kalium ist unter sauren Bedingungen für die Stimulation der Atmungskettenaktivität essentiell. Unter hyperosmotischen Bedingungen wird Kalium in großen Mengen intern akkumuliert, wo es essentiell zum Pool der Osmolyte beiträgt. Kalium ist dabei für die induzierte osmoregulierte Expression der Gene betP und proP notwendig. Der kaliumspezifische Kanal CglK fungiert in C. glutamicum sowohl bei niedrigen pH-Werten, als auch bei Osmostress als Hauptaufnahmesystem für Kalium, während der putative sekundär aktive Kup-Transporter keine Funktion hat. Die mRNA von cglK wird in ein membranintegriertes CglK-Protein und zusätzlich in ein cytoplasmatisches KTN-Protein translatiert. Die Analyse der Funktion von CglK wurde in C. glutamicum- und E. coli-Zellen durchgeführt, wobei in Proteoliposomen und in E. coli-Sphäroplasten elektrophysiologische Untersuchungen möglich waren. Die C terminalen KTN-Domänen von CglK sind für dessen Schließung essentiell, während die separaten KTN-Proteine an der vollständigen Öffnung und möglicherweise an einer pH-Wert abhängigen Regulation des Kanals beteiligt sind. Die Kaliumaufnahme über den CglK-Kanal ist für C. glutamicum unter habitatähnlichen Bedingungen für das Wachstum und die Aminosäureproduktion ausreichend. Unter extremen Stressbedingungen in Verbindung mit einer Kaliumlimitation hat die heterologe Expression eines aktiven Kaliumtransporters einen positiven Effekt auf die Stressresistenz der C. glutamicum-Zellen.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

The response towards abiotic stress of Corynebacterium glutamicum was examined on a physiological and biochemical level. Acidic conditions cause oxidative stress by increased H2O2 levels. The limited activity of the cystathionine-β-lyase AecD impairs thiol homeostasis, resulting in reduced cell growth. Potassium is required for stimulating respiratory chain activity at low pH. Under hyperosmotic conditions high potassium concentrations are intracellularly accumulated contributing to the total osmolyte pool. Potassium is also essential for induction of the osmoregulated genes betP and proP. In C. glutamicum the potassium channel CglK is the main uptake system for potassium at low pH values, as well as under osmotic stress. The putative secondary transporter Kup has no function. The mRNA of cglK is translated as a membrane-integrated protein and, additionally, as a cytoplasmic KTN-protein. Potassium translocation activity of CglK was shown in vivo by complementation of potassium deficient C. glutamicum and E. coli cells. Furthermore, CglK functionality was shown in vitro by electrophysiological measurements of proteoliposoms and E. coli spheroplasts, containing the channel protein. The C-terminal KTN domains of CglK are essential for channel closing, whereas the separate KTN proteins are involved in full opening and probably in pH dependent channel regulation. Under conditions similar to the natural habitat of C. glutamicum, potassium uptake via the CglK channel is sufficient for growth and amino acid production. Under conditions of extreme stress, combined with potassium deficiency, the heterologous expression of an active potassium KtrAB transporter has a beneficial effect on stress resistance of C. glutamicum cells.

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