Die Aufklärung eines neuartigen Pentose-Stoffwechsels und die Möglichkeit einer Homosuccinat-Fermentation in Darmbakterien

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde der Pentose-Metabolismus des bedeutsamen Darmbakteriums <em>Prevotella</em> <em>copri</em> (<em>P.</em> <em>copri</em>) untersucht, und es wurde analysiert, ob die Umsetzung einer Homosuccinat-Fermentation mit dem Darmbakterium <em>Phocaeicola</em> <em>vulgatus</em> (<em>P.</em> <em>vulgatus</em>) möglich ist.<br /> Durch eine als gesund geltende ballaststoffreiche, insbesondere Xylan-reiche Ernährung wird das Wachstum des Darmbakteriums <em>P.</em> <em>copri</em> gefördert. In dieser Dissertation wurden deshalb detaillierte Untersuchungen bezogen auf die Verstoffwechselung von Ballaststoffen auf der Ebene der monomeren Einheiten (Pentosen), durchgeführt. Da <em>P.</em> <em>copri</em> eines der zentralen Enzyme (Transaldolase) des klassischen Pentosephosphatwegs (PPP) fehlt, wurde analysiert, ob der außergewöhnliche Sedoheptulose-1,7-Bisphosphat-Weg (SBPP) zur Pentosen-Umwandlung verwendet wird. Der SBPP unterscheidet sich zum PPP insofern, dass die fehlende Transaldolase-Reaktion durch die Kombination der reversiblen Reaktionen der Pyrophosphat (PPi)-abhängigen Phosphofructokinase (PPi-PFK) und der Fruktose-Bisphosphat (FBP)-Aldolase ersetzt wird. Es wurde gezeigt, dass das Produkt der Transketolase-Reaktion Sedoheptulose-7-Phosphat (S7P) durch die PPi-PFK zu SBP phosphoryliert und SBP anschließend durch die FBP-Aldolase zu Erythrose-4-Phosphat (E4P) und Dihydroxyaceton-Phosphat (DHAP) gespalten wird. Zusätzlich konnte über eine ausführliche bioinformatische Analyse nachgewiesen werden, dass neben <em>P.</em> <em>copri</em> viele weitere Darmbakterien den SBPP für den Pentose-Metabolismus anwenden, wodurch die Relevanz des SBPPs verdeutlicht wird.<br /> Im Zuge der akuten Klimadebatte und den begrenzten fossilen Energieträgern ist der Umstieg der Erdöl-basierten Succinat-Produktion auf eine umweltfreundliche bakterielle Succinat-Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen unerlässlich. Die derzeit genutzten bakteriellen Produktionsmethoden sind vergleichend mit der petrochemischen Herstellung allerdings ineffizient, da durch die unerwünschte Nebenproduktbildung die Kosten der Succinat-Herstellung enorm ansteigen. Deshalb wurde in dieser Arbeit das Konzept einer Homosuccinat-Fermentation mittels <em>P.</em> <em>vulgatus</em> ausgearbeitet. Es konnte bestimmt werden, dass durch die Kopplung des oxidativen und reduktiven Abschnitts des nicht-geschlossenen Citratzyklus des Fumarat-Atmers <em>P.</em> <em>vulgatus</em>, theoretisch bis zu 60 % mehr Succinat ohne weitere Nebenprodukte gebildet werden könnte. Die für die reduktive Succinat-Produktion notwendigen Reduktionsäquivalente [H], werden bei der Kopplung des nicht-geschlossenen Citratzyklus über den oxidativen Abschnitt abgedeckt. Die Durchführbarkeit dieser Kopplung wurde mit gereinigten Enzymen und Membranfraktion des nicht-geschlossenen Citratzyklus über die Bildung des Endproduktes Succinat nachgewiesen. Aufgrund von niedrigen cytoplasmatischen Aktivitäten, wirkt der oxidative Abschnitt putativ limitierend auf die Succinat-Bildung, weshalb die Überexpression der entsprechenden Gene des oxidativen Citratzyklus sinnvoll wäre.