Molekulargenetische und physikalisch-chemische Untersuchungen an den Schwefelkugeln photo- und chemothropher Schwefelbakterien (Taschenbuch)
von Alexander Prange

Kurzbeschreibung:
Allochromatium vinosum verfügt über drei Schwefelkugelhüllproteine ohne enzymatische Aktivität mit molekularen Massen von 10,5 kDa (SgpA), 10,6 kDa (SgpB) und 8,5 kDa (SgpC), von denen die beiden größeren untereinander homolog sind. Ziel der Arbeit war es, genauere Erkenntnisse über die Funktion und Struktur der Schwefelkugelproteine aus A. vinosum sowie der Regulation ihrer Gene zu gewinnen. Weiterhin sollte die Struktur des Schwefels in den Schwefelkugeln stoffwechsel-physiologisch und phylogenetisch verschiedener photo- und chemotropher Schwefeloxidierer durch XANES-Spektroskopie systematisch untersucht und aufgeklärt werden.

Die Schwefelkugelproteingene sgpA, sgpB und sgpC wurden in den A. vinosum-Stämmen DSMZ 180T und DSMZ 185 durch Interposonmutagenese inaktiviert. Weiterhin konnten Doppelmutanten mit inaktiviertem sgpB und sgpC hergestellt werden. Alle Mutanten wurden auf genetischer Ebene untersucht und die Schwefelkugelprotein Zusammensetzung mittels HPLC analysiert. Die sgpB Mutante zeigte analog zur sgpA Mutante keine phänotypischen Unterschiede im Vergleich zum Wildtyp. SgpB und SgpA können sich daher vermutlich gegenseitig ersetzen. Bei der sgpC Mutante wurde demgegenüber elektronenmikroskopisch eine erhöhte Anzahl und eine um durchschnittlich 50% verringerte Größe der Schwefelkugeln im Vergleich zum Wildtyp nachgewiesen, so daß für SgpC eine Funktion bei der Vergrößerung der Schwefelkugeln postuliert werden kann. Die sgpBC Doppelmutanten konnten nur photoheterotroph kultiviert werden, Sulfid oder Thiosulfat nicht oxidieren und keine Schwefelkugeln bilden. Für die Bildung von intakten Schwefelkugeln ist somit vermutlich eines der ?großen? Schwefelkugelproteine A oder B sowie das ?kleine? SgpC essentiell.

Expressionsanalysen mittels quantitativer RT PCR ergaben, daß alle drei sgp Gene sowohl mit und als auch ohne Sulfid-Induktion der Zellen konstitutiv exprimiert werden. Während sgpB und sgpC bei Sulfid-Induktion der Zellen ca. 3,8fach stärker als unter nicht induzierten Bedingungen exprimiert werden, wird die Transkription von sgpA nicht reguliert. Die nachgewiesenen Transkriptmengen von sgpB waren um den Faktor 10 kleiner, so daß SgpA und SgpC als ?Hauptproteine? anzusehen sind.

IR spektroskopische Untersuchungen der isolierten Schwefelkugelproteine aus A. vinosum machten eine ? Faltblattstruktur als Sekundärstruktur wahrscheinlich, was ebenfalls auf ihre Funktion als reine Strukturproteine hinweist.

Schwefelkugelproteingene konnten in den Cyanobakterien Oscillatoria limnetica und Spirulina major, die eine anoxygene Photosynthese mit Sulfid betreiben können, mit sgp Gensonden aus A. vinosum nicht nachgewiesen werden.

Mittels XANES Spektroskopie wurde die molekulare Struktur des Schwefels in den Schwefelkugeln intakter Zellen in situ untersucht und die Spektren mittels quantitativer Analyse ausgewertet. Danach konnten die untersuchten Bakterien in drei Gruppen bezüglich der dominierenden Schwefelstruktur ihrer Schwefelkugeln eingeteilt werden: (1) Schwefelringe (Beggiatoa alba, Thiomargarita namibiensis), (2) Polythionate (Acidithiobacillus ferrooxidans) und (3) Schwefelketten (Chromatiaceae, Chlorobiaceae, Ectothiorhodospiraceae). Diese Einteilung reflektiert das Vorkommen von Sauerstoff am natürlichen Standort sowie die Unterschiede der Bakterien in bezug auf Stoffwechsel, Phylogenie und Ökologie. Bei A. vinosum konnten Organylsulfane mit Glutathionamid als organischer Restgruppe als dominierende Schwefelstruktur bei intakten Zellen wahrscheinlich gemacht werden, die sich bei der Oxidation des Schwefels zu Sulfat sukzessive verkürzen. Bei isolierten Schwefelkugeln aus A. vinosum hingegen wurden, vermutlich durch Sauerstoff induziert, Schwefelringe nachgewiesen. Zur Schwefelstruktur, Schwefelcarriern und Schwefelablagerung in intrazellulären Schwefelkugeln sowie der Schwefeloxidation in A. vinosum wurde auf der Basis der durch die XANES Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse und aufgrund theoretischer Überlegungen ein Modell entwickelt.





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