Aufklärung des zentralen Kohlenstoff- und Energiemetabolismus des Darmbakteriums <em>Prevotella copri</em>

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit dem zentralen Kohlenstoff- und Energiemetabolismus von <em>Prevotella (P.) copri</em>, eines der relevantesten Bakterien der menschlichen Darmflora. Um zu verstehen, wie die Prädominanz dieses Organismus innerhalb der Mikrobiota zustande kommt, wurden seine grundlegenden Wachstumseigenschaften erfasst, der Zentralstoffwechsel detailliert rekonstruiert und die gewonnen Daten mit zwei weiteren zentralen Bakterien der menschlichen Intestinalflora (<em>Bacteroides vulgatus</em> und <em>Parabacteroides johnsonii</em>) verglichen. Zusätzlich wurde überprüft, ob sich <em>P. copri</em> aufgrund seiner metabolischen Eigenschaften zur biotechnologischen Produktion der zukunftsträchtigen Plattformchemikalie Succinat einsetzen lässt. Im Zuge von Wachstumsexperimenten mit Komplex- und Minimalmedien konnte gezeigt werden, dass <em>P. copri</em> mit kurzen Verdopplungszeiten hohe optische Dichten erreicht und Vitamin K, Hämin und Vitamin B12 benötigt. Außerdem lebt der Organismus strikt CO₂-abhängig, was bemerkenswerte Implikationen für die Darmflorazusammensetzung des Menschen mit sich bringt. Des Weiteren konnte anhand von bioinformatischen, transkriptionellen und enzymatischen Untersuchungen ein zentrales Stoffwechselmodell von <em>P. copri</em> für die Verstoffwechselung von Glucose erstellt werden. Das Bakterium baut Glucose über den EMP-Weg ab, wobei PEP und Pyruvat die zentralen Stoffwechselintermediate darstellen. PEP wird zu Fumarat verstoffwechselt, das in der anaeroben Atmungskette von <em>P. copri</em> als terminaler Elektronenakzeptor fungiert, während Pyruvat entweder über eine Pyruvat-Formiat-Lyase oder eine Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase zu Acetyl-CoA umgesetzt wird. Acetyl-CoA wird letztlich zu Acetat verstoffwechselt. Die funktionelle Einheit der Atmungskette von <em>P. copri</em> besteht aus den Enzymen Nqr, einer „kopflosen“ NDHI-Variante und der Fumaratreduktase. Elektronen für die Reduktion von Fumarat werden über NADH und Fd_red bereitgestellt und es wird ein elektrochemischer Ionengradient mit den Kopplungsionen H⁺ und Na⁺ erzeugt. Durch Bestimmung des Trockengewichts, des Substratverbrauchs und der Produktbildung von Kulturen in unterschiedlichen Wachstumsphasen konnte außerdem der Fluss der Intermediate im zentralen Energie- und Kohlenstoffmetabolismus von <em>P. copri</em> rekonstruiert werden. Hier zeigte sich unter anderem, dass die CO₂-Abhängigkeit von <em>P. copri</em> durch das Ungleichgewicht im CO₂-Bedarf der PEP-Carboxykinase und der CO₂-Freisetzung der Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase zustande kam, was direkt mit der gebildeten Menge an Formiat korrelierte. Zusätzlich wurden Versuche unternommen, um die Plattformchemikalie Succinat mit Hilfe von <em>P. copri</em> zu produzieren. Unter Ca(HCO₃)₂- und Ca(OH)₂-gepufferten Bedingungen konnten 0,5-0,7 g Succinat pro g Glucose umgesetzt werden mit einem maximalen Produkttiter von 25 g l^-1 (≈215 mM). Damit stellte sich <em>P. copri</em> als ein vielversprechender Kandidat für die biotechnologische Succinat-Produktion heraus.