Characterization of Maltose and Trehalose Transport in Corynebacterium glutamicum

Henrich, Alexander Wolfgang (2011). Characterization of Maltose and Trehalose Transport in Corynebacterium glutamicum. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Zur Produktion von Aminosäuren mit dem kommerziell bedeutsamen Bakterium Corynebacterium glutamicum kann aus Stärkehydrolysat gewonnene Maltose als gute und günstige Kohlenstoffquelle dienen. In der vorliegenden Arbeit wurde das Maltose/Maltodextrin Aufnahme-System MusIFGK2-E von C. glutamicum identifiziert und charakterisiert; ein ABC Transporter mit einem Km von 1,2 ± 0,2 μM und Vmax von 26,2 ± 1,0 nmol/(min*mg TG). Es konnte gezeigt werden, dass das System kein Operon bildet und dass es von dem transkriptionellen Regulator RamA reguliert wird. Zusätzlich konnte eine regulatorische Verbindung zur Phosphotransferase System vermittelten Glukose Verstoffwechslung aufgezeigt werden. Weitere Analysen identifizierten das Protein MusI, welches zwar für die Aufnahme von Maltose essentiell, dessen Funktion aber noch unbekannt ist. Neben der Bedeutung als Aminosäureproduzent ist C. glutamicum ein wichtiger Modellorganismus für die Zellwand und deren Synthese innerhalb der Corynebacterineae. In diesem Zusammenhang spielt Trehalose als Komponente von Mycolaten, wichtigen Bausteinen der Zellwand von Corynebakterien and Mycobakterien, eine bedeutende Rolle. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass C. glutamicum, im Gegensatz zu bereits publizierten Daten, mit einem Trehalose Aufnahme-System ausgestattet ist. Die Aufnahme wird über den ABC Transporter TusFGK2-E mit einem Km von 0,16 ± 0,02 μM und Vmax von 2,5 ± 0,1 nmol/(min*mg TG) vermittelt. Trehalose kann anschließend durch TreS in Maltose umgewandelt werden und dann über den Maltose Abbauweg verstoffwechselt werden. Beachtenswerterweise konnte in dieser Arbeit ein zweiter Abbauweg für Trehalose / Maltose identifiziert werden. Dieser Weg beinhaltet die TreS vermittelte Umwandlung von Trehalose in Maltose, TreX vermittelte Maltose-1- Phosphate und anschließende α-Glucan Synthese durch GlgE, vergleichbar zu einem Abbauweg in M. tuberculosis (Kalscheuer et al., 2010a). Diese Ergebnisse stellten die Hypothese von Tropis et al., 2005 in Frage, dass man zur Synthese von Trehalose-Mycolaten Biosynthese und Export von Trehalose benötigt. Mit Hilfe einer vierfach-Deletionsmutante, die weder fähig ist Trehalose zu synthetisieren noch aufzunehmen, konnte gezeigt werden, dass die Synthese von Trehalose-Mycolaten durch externe Zugabe des Zuckers, auch ohne die vorherige Aufnahme von Trehalose möglich ist. Dies zeigte dass die Trehalose Export Hypothese weiterhin Gültigkeit besitzt und dass das Trehalose Export-System von C. glutamicum noch zu identifizieren ist.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Charakterisierung des Maltose und Trehalose Transports in Corynebacterium glutamicum	German

Translated abstract:

Abstract

Language

For the production of amino acids with the commercially important Gram-positive bacterium Corynebacterium glutamicum maltose derived from starch hydrolysate can serve as a good and cheap carbon source. The present study identified and characterized the maltose/maltodextrin uptake system MusIFGK2-E of C. glutamicum being an ABC transport system with a Km of 1.2 ± 0.2 μM and a Vmax of 26.2 ± 1.0 nmol/(min*mg cdm). Analyses showed that the system is not transcribed in an operon and that it is regulated by the transcriptional regulator RamA. In addition a regulatory connection to phosphotransferase system mediated glucose utilization was found. Further it was shown that the maltose uptake system possesses an additional protein MusI with unknown function that is important for the uptake of maltose. Besides being an important amino acid producer, C. glutamicum is a major model organism for the cell envelope and its synthesis of the Corynebacterineae. In this context trehalose plays a crucial role as component of mycolates, important building blocks of the cell wall of corynebacteria and mycobacteria. This study showed for the first time that C. glutamicum, in contradiction to previously published data, is equipped with an uptake system for trehalose and is further capable to use trehalose for growth. The uptake of trehalose is mediated by the ABC transport system TusFGK2-E with a Km of 0.16 ± 0.02 μM and a Vmax of 2.5 ± 0.1 nmol/(min*mg cdm). Trehalose can be utilized for growth via TreS mediated conversion into maltose and further degradation by the known maltose pathway. Notably, this study revealed a second pathway for the utilization of trehalose / maltose involving TreS mediated conversion of trehalose to maltose, TreX mediated maltose-1-phosphat formation and α-glucan formation by GlgE a pathway similar to the one found in M. tuberculosis (Kalscheuer et al., 2010a). These results challenged the hypothesis of Tropis et al., 2005 that for the synthesis of trehalose mycolates biosynthesis and export of trehalose is needed. But with the help of a quadruple-mutant, that is neither able to synthesize nor to import trehalose, it was shown that the formation of trehalose mycolates is possible without the uptake of externally present trehalose leaving the trehalose export hypothesis valid and the trehalose export system of C. glutamicum to be identified.

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