The compatible solutes ectoine and 5-hydroxyectoine: Catabolism and regulatory mechanisms

Um osmotischem Stress zu begegnen, nutzen viele Mikroorganismen die Anhäufung von niedermolekularen, osmotisch aktiven, organischen Verbindungen, die so genannten kompatiblen Solute. Beispiele für besonders effektive Vertreter dieser Stoffklasse sind die Tetrahydropyrimidine Ectoin und sein Derivat 5-Hydroxyectoin. Diese beiden Moleküle werden von vielen Mikroorganismen nicht nur gegen osmotischen Stress, sondern beispielsweise auch gegen thermischen Stress verwendet. Der Biosyntheseweg, um beide Stoffe zu synthetisieren, ist bereits weitgehend erforscht und die verwendeten Enzyme sind sowohl strukturell als auch biochemisch gut charakterisiert. Jedoch ist mit der reinen Synthese die Geschichte der Ectoine bei weitem noch nicht ausgezählt. Unausweichlich werden sie regelmäßig in die Umgebung abgegeben. Nicht nur können sie von dort wieder durch Aufnahme einer cytoprotektiven Rolle zugeführt werden, auch kann eine beachtlich große Gruppe von Bakterien diese stickstoffhaltigen Verbindungen recyceln. Insbesondere in besonders kompetitiven Habitaten wie den oberen Schichten der Weltmeere haben sich einige Bakterien auf eine solche Nische spezialisiert. Der Modellorganismus, der in dieser Arbeit verwendet wird, ist einer dieser Vertreter. Das marine Bakterium Ruegeria pomeroyi DSS-3 gehört zur Gruppe der Roseobacter, heterotroph lebende Proteobakterien, die sowohl in Symbiose mit Phytoplankton leben können als auch diesen den „Krieg“ erklären können, um an wertvolle Nährstoffe zu gelangen. Ectoine können von Ruegeria pomeroyi DSS-3 durch ein hoch-affines Transportsystem aufgenommen werden und dienen dann sowohl als Energie- wie auch als Stickstoff- und Kohlenstoffquelle. Hierzu werden beide Ectoine von der Hydrolase EutD gespalten und anschließend von der Deacetylase EutE deacetyliert. Die so entstandenen DABA und Hydroxy-DABA können dann nach einigen weiteren Schritten dem zentralen Stoffwechsel zugeführt werden. Die Rolle und Funktionsweise der zusammenarbeitenden EutD- und EutE-Enzyme ist ein zentraler Aspekt der vorliegenden Arbeit. Beide Enzyme wurden biochemisch und strukturell charakterisiert und der Aufbau des Stoffwechselweges konnte teilweise aufgeklärt werden. Die zuerst entstehenden Moleküle α-ADABA (aus Ectoin) und Hydroxy-α-ADABA (aus Hydroxyectoin) sind nämlich nicht nur zentral im Ectoin-Katabolismus selbst, sondern auch im damit verbundenen Regulationsmechanismus. Beide Moleküle dienen als Induktoren des zentralen Regulatorproteins dieses Stoffwechselweges, dem MocR-/GabR-Typ Regulatorprotein EnuR. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die molekularen Details aufgeklärt werden, die es dem Repressormolekül EnuR ermöglichen, beide Moleküle hochaffin zu sensieren und darauf aufbauend die Gene des Ectoin-Stoffwechsels zu induzieren.