Sweets for my sweet - carbohydrate transport and its regulation in Sulfolobus acidocaldarius

Kohlenhydrate sind energieliefernde Nährstoffe, die von Organismen in allen Domänen des Lebens genutzt werden. Der Transport dieser Kohlenhydrate in die Zelle ist die entscheidende Grundlage für die Verwertung dieser Nährstoffe, weil Zuckermolekule nicht durch die Membran diffundieren können. Das hyperthermophile Crenarchaeon Sulfolobus acidocaldarius kann verschiedenste Zucker wie L-Arabinose, Dextrin, D-Glcuose, Maltose, Saccharaose, Stärke oder D-Xylose verwerten (Grogan, 1989; Brouns et al., 2006). Aber bisher wurde in S. acidocaldarius nur der Maltose/Maltodextrintransporter aufgrund von Sequenzhomologien zu dem identifizierten Maltosetransporter in S. solfataricus gefunden. In dem nahe verwandten S. solfataricus wurden bereits viele verschiedene ABC Zuckertransportsysteme für unterschiedliche Kohlenhydrate identifiziert. In S. acidocaldarius sind allerdings keine weiteren Homologen zu diesen Transportern gefunden worden und der Mechanismus des Zuckertransports war bis dahin ein Rätsel. Um die Mechanismen des Zuckertransports und dessen Regulierung in S. acidocaldarius untersuchen zu können, habe ich ein genetischen System für diesen Organismus entwickelt. Das hier beschriebene genetische System basiert auf den uracilauxtrophen Stamm MW001, der vom Wildtyp S. acidocaldarius DSM639 generiert wurde. Sowohl einfache als auch mehrfache Gendeletionen, Genommarkierungen, die Insertion von Fremd-DNA, Komplementierungen in cis und in trans als auch induzierbare homologe Expressionen können in MW001 angewandt werden. Dadurch wird sowohl Grundlagenforschung als auch die industrielle Nutzung von S. acidocaldarius ermöglicht. Mit Hilfe dieses genetischen Systems wurde zunächst die Regulation des Maltosetransporters in S. acidocaldarius untersucht. Die Transkription des Maltosegenclusters war in der Anwesenheit von Maltose/Maltodextrin verstärkt, was auf einen regulatorischen Mechanismus hinweist. Der Transkriptionsregulator MalR wurde innerhalb des Genclusters identifiziert. Die Charakterisierung der Deletionsmutanten ΔmalR bestätigte die regulatorische Funktion dieses Proteins, das als Aktivator der Transkription der mal Gene fungiert. MalR war der erste identifizierte archaeale Aktivator, der in Zuckertransport involviert ist. Punktmutationen in MalR deuteten darauf hin, dass sowohl Zuckerbindung als auch die Phosphorylierung von MalR dessen Aktivität beeinflussen. Aber der gesamte regulatorische Mechanismus dieses Systems muss immer noch aufgeklärt werden. Die Transportmechanismen für andere Kohlenhydrate blieb lange Zeit unbekannt, da keine Homologien zu anderen bereits identifizierten archaealen Zuckertransportern gefunden wurden. Trotzdem konnten wir den D-Xylose and L-Arabinose ABC-Transporter identifizieren. Die Transkription dieses Transporteroperons wurde durch die Anwesenheit von Xylose oder Arabinose induziert. Deletionsmutanten einzelner Transportereinheiten bestätigten die Funktion als Transporter, der im Besonderen bei geringen Zuckerkonzentrationen von Bedeutung war. Das Wachstum dieser Transportermutanten in Anwesenheit von hohen Zuckerkonzentrationen lässt allerdings auf ein zweites bisher unbekanntes Zuckertransportsystem schließen. D-Xylose und L-Arabinose aktivieren nicht nur die Transkription des ABC Transporters sondern auch die von zwei andere Genen. Diese beiden Gene kodieren die Enzyme α-Ketoglutaratesemialdehyddehydrogenase (KGSADH) und 2-keto-3-deoxyarabinoate/xylonatedehydratase (KDXD/KDAD), welche im aldolaseunabhängigen Pentoseabbauweg involviert sind. Die Deletionen dieser beiden Enzyme deuten darauf hin, dass S. acidocaldarius ausschließlich den aldolaseunabhängigen Pentoseabbauweg benutzt. Die hier präsentierte Arbeit gibt erste und vor allen Dingen neue Einblicke in den Kohlenhydrattransport und dessen Regulierung in S. acidocaldarius. Das gewonnene Wissen über den Zuckertransport und den Metabolimus zusammen mit der Entwicklung eines genetischen Systems eröffnen die Möglichkeit S. acidodaldarius metabolisch zu verändern und für industrielle Zwecke zu nutzen.