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Titel: Substrat-spezifische Induktion der anaeroben Abbauwege von aromatischen Verbindungen in Aromatoleum aromaticum EbN1
Autor: Clermont, Lina
Weitere Beteiligte: Heider, Johann (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2016
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0864
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0864
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-08646
DDC: 570 Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Substrate-specific induction of anaerobic degradation pathways from aromatic compounds in Aromatoleum aromaticum EbN1

Dokument

Schlagwörter:
Regulation, Sequenzanalyse <Chemie>, Mikrobiologie, Molekularbiologie, Biochemie, Microbiology, Molecularbiology, Biochemistry, Regulation, RNA Sequencing

Zusammenfassung:
Das denitrifizierende Bakterium Aromatoleum aromaticum EbN1 kann aromatische Kohlenwasserstoffe sowie phenolische Verbindungen anaerob über verschiedene Abbauwege metabolisieren. Diese distinkte Degradierung war im Vergleich zu aeroben Abbauern wie Pseudomonas putida überraschend und weckte das Interesse, den Abbau dieser umweltschädigenden Verbindungen in den tiefliegenden, anaeroben Bodenschichten zu verstehen. Die genetische Zugänglichkeit von Aromatoleum aromaticum EbN1 macht es zu einem guten Modellorganismus, um diese Stoffwechselwege besser nachvollziehen zu können. Außerdem sind die Abbaumechanismen der chemisch sehr ähnlichen Verbindungen Toluol, Ethylbenzol, Phenol und 4-Ethylphenol alle separat reguliert. Basierend auf zuvor gemachten Beobachtungen, Sequenzvergleichen und Vergleichen zu anderen Kohlenwasserstoff-abbauenden Organismen wurden putative Regulatoren für die jeweiligen Abbau-Operons ermittelt. Es wurde postuliert, dass der Abbau von Toluol, Ethylbenzol und Acetophenon unter der Kontrolle von verschiedenen Zweikomponenten-Systemen steht, die jeweils durch die Gene tdiRS, ediRS und adiRS kodiert werden. Andererseits sind wahrscheinlich σ54-abhängige Regulatoren verantwortlich für die Aktivierung des Abbaus von 4-Ethylphenol (EtpR) und Phenol (PdeR). Alle postulierten Regulatoren sind dabei direkt neben den bekannten Abbau-Operons kodiert. In dieser Arbeit wurden die Funktionen von EtpR und PdeR näher untersucht. Dafür wurden zwei Disruptions-Mutanten erstellt und auf ihren Wachstumsphänotyp getestet. Die Ergebnisse unterstützen die These, dass die Gene etpR bzw. pdeR für Aktivatoren kodieren, die die anliegenden Gencluster induzieren. Außerdem wurden erste Studien zur Bestimmung möglicher Induktoren der 4-Ethylphenol- und Phenol-Operons, sowie Analysen von transkriptionellen Startpunkten und Operator-Bindestellen, gestartet. Neuste Ergebnisse haben eine komplexe Interaktion zwischen den Abbauwegen von 4-Ethylphenol und Ethylbenzol und ihren vorhergesagten Regulationssystemen gezeigt. Um ein besseres Verständnis dafür zu bekommen, wurde Aromatoleum aromaticum EbN1 mit verschiedenen Kohlenstoffquellen kultiviert und eine Methode zur Transkriptom-Sequenzierung über reverse Transkription und Hochdurchsatz-Sequenzierung angereicherter mRNA etabliert. Dadurch wurden viele neue Einblicke in das komplexe Regulationsnetzwerk des anaeroben Abbaus aromatischer Kohlenwasserstoffe und phenolischer Verbindungen gewonnen und zusätzlich ergaben sich Hinweise auf ungeklärte Schritte in den jeweiligen Abbauwegen.

Summary:
The facultative anaerobic denitrifying bacterium Aromatoleum aromaticum EbN1 is able to distinctively degrade aromatic hydrocarbons and phenolic compounds anaerobically. This trait was surprising in comparison to aerobic degraders like Pseudomonas putida and revealed the interesting field of anoxic degradation of environmental pollution in deep soil. The genetic accessibility makes Aromatoleum aromaticum EbN1 a desirable model organism for the understanding of distinct anaerobic metabolism. Even more, the anoxic degradation of the very similar compounds toluene, ethylbenzene, phenol, and p-ethylphenol is separately regulated for each substrate. Based on earlier experiments, sequence alignments and similarities to other hydrocarbon degrading organisms, putative regulators have been assigned to the different degradation clusters. It was proposed that toluene, ethylbenzene, and acetophenone degradation in Aromatoleum aromaticum EbN1 are under the control of the two component systems tdiRS, ediRS and adiRS respectively. In contrast, σ54 dependent regulators are probably responsible for the activation of the degradation of 4-ethylphenol (EtpR) and phenol (PdeR). All of these proposed regulators are coded in genes directly adjacent to the respective degradation operon. In this study the proposed functions of EtpR and PdeR were investigated. Thereby, two disruption mutants were designed and examined in their growth phenotyp. It seems that the proposed thesis is correct and the genes etpR and pdeR code for activators of the respective operons. Furthermore, first studies were started to determine the inductors of 4-ethylphenol- and phenol operon as well as to identify transcriptional starts and operator binding sites. Recent results show a complex network of interactions between the distinct pathways to degrade 4-ethylphenol and ethylbenzene and their postulated regulation systems. To gain further insight into the matter, Aromatoleum aromaticum EbN1 was cultivated with different carbon sources and the method of RNA-Sequencing using reverse transcription was established. The isolated and enriched mRNA from these cultures was analyzed in this high-throughput approach by Illumina sequencing. Not only was new light shed on the complexity of the regulation network, but also new hints were given concerning the unknown steps in the different degradation pathways.


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