Insights into the versatile metabolism of the Alphaproteobacterium Paracoccus denitrificans

Zwei unterschiedliche Stoffwechselmodi versorgen Bakterien mit Energie (Katabolismus) und Zellbausteinen (Anabolismus). An der Schnittstelle zwischen Katabolismus und Anabolismus liegen der zentrale Metabolit Acetyl-CoA, sowie der amphibole Citratzyklus. Das katabole Schicksal von Acetyl-CoA ist seine Oxidation im Citratzyklus zur Gewinnung von Reduktionsäquivalenten und Energie, wobei sein Kohlenstoffgerüst vollständig als CO2 abgespalten wird und damit verloren geht. Um zu anabolen Zwecken stattdessen den Kohlenstoff aus Acetyl-CoA in Biomasse einzubauen, benötigt der Citratzyklus die Unterstützung von sogenannten Auffüllreaktionen (Anaplerose). Diese Reaktionen umgehen die oxidativen, CO2-produzierenden Schritte des Citratzyklus, erlauben den Einbau von Kohlenstoff aus Acetyl-CoA in Biomasse und ermöglichen so letztendlich bakterielles Wachstum auf kleinen Kohlenstoffverbindungen wie Acetat. Obwohl nach dem ursprünglichen Verständnis von Stoffwechsel angenommen wurde, dass jeder Organismus die gleiche spezialisierte Route zur Umsetzung eines bestimmten Substrates besitzt, sind bis zum heutigen Tage bereits mehrere verschiedene Auffüllreaktionen des Citratzyklus in Bakterien bekannt. Darunter befinden sich der Glyoxylatzyklus (GC) und der Ethylmalonyl-CoA Weg (EMCP). Die meisten Bakterienspezies besitzen nur einen der beiden Acetyl-CoA Assimilationswege als alleinstehende Route. Das Alphaproteobakterium Paracoccus denitrificans zeigt hingegen, wie nur wenige andere Vertreter seiner Domäne, die genetische Ausstattung für beide Wege. Dies wirft die Fragen auf, was der biologische Zweck dieser vermeintlich funktionellen Redundanz im bakteriellen Stoffwechsel ist und wie diese innerhalb der Zelle koordiniert wird. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass sowohl der GC als auch der EMCP in P. denitrificans während verschiedenen Stadien des Wachstums auf Acetat genutzt werden. Während der EMCP auf mehreren Substraten konstitutiv exprimiert und nach einem Wechsel zu Acetat zusätzlich hochreguliert wird, ist der GC ein spezialisierter Weg, der ausschließlich der Assimilierung von Acetyl-CoA, während des Wachstums auf Acetat oder anderen Verbindungen, die über Acetyl-CoA assimiliert werden, dient. Beide Stoffwechselwege allein bergen unterschiedliche Vorteile für ihren Wirt. Während der EMCP auf Acetat zu hohen Wachstumserträgen bei moderater Teilungsrate führt, ermöglicht der GC ein schnelles exponentielles Wachstum von P. denitrificans auf Acetat mit jedoch niedrigerer Gesamtbiomasseausbeute. Eine präzise abgestimmte genetische Regulation kontrolliert die Expression beider Stoffwechselwege in P. denitrificans und vermittelt durch das gezielte Umschalten zwischen beiden Wegen eine Plastizität im zentralen Stoffwechsel dieses Organismus. Diese ermöglicht dem Bakterium dynamisch auf sich ändernde Umweltbedingungen zu reagieren, um seinen jeweiligen physiologischen Ansprüchen gerecht zu werden. Mit einer Kombination von genetischen, molekularbiologischen und biochemischen Methoden zeigt diese Arbeit, dass RamB, ein Transkriptionsfaktor der ScfR Familie, CoA-Ester Intermediate des EMCP detektiert und in Antwort darauf die Expression des GC aktiviert. Dies demonstriert ein neues Phänomen in bakteriellem Stoffwechsel, bei dem ein vermeintlich redundanter Stoffwechselweg die Expression eines anderen stimuliert. In Summe erweitert diese Arbeit unser Verständnis von mikrobiellem Stoffwechsel und präsentiert die molekulare Basis von metabolischer Plastizität. Die vollständige Aufklärung der daran beteiligten Mechanismen in der Zukunft könnte die Möglichkeit eröffnen, neue regulatorische Module für den Einsatz in der synthetischen Biologie, sowie im metabolic engineering zu entwickeln.