Functional genome analysis of Alcanivorax borkumensis strain SK2 : alkane metabolism, environmental adaptations and biotechnological potential

Sabirova, Julia

Die vorliegende Arbeit stellt eine umfassende funktionelle Genomanalyse des Alkan-Metabolismus des Öl-abbauenden Mereesbakteriums Alcanivorax borkumensis dar, sowie seiner zugehörigen Stoffwechselanpassungen. Zweidimensionale Gelelektrophorese zeigte, dass 99 zytoplasmatische und Membran-Proteine differentiell in Alkane-angezogenen Zellen exprimiert werden, im Vergleich zu Pyruvat-angezogenen Zellen im Kontrollversuch. Die Proteine, die im Falle der Hexadekan-angezogenen Zellen, verstärkt exprimiert wurden, überwiegend Enzyme der terminal Oxidation, Glyoxylat-Bypasses, der Glukoneogenese und der beta-Oxidation von Fettsäuren sind. Weiterhin, zur funktionellen Analyse von Genprodukten, die die Anpassung von Alcanivorax SK2 an bestimmte Umweltbedingungen ermöglichen, wie Osmo-Toleranz, Anpassung an UV Strahlung und niedrige Temperaturen, sowie die Bildung von Biofilmen, wurde eine umfassende zufallsbedingte Transposon-Mutagenese durchgeführt. Durch Screening und Sequenzierung mittels 'inverse PCR' der erhaltenen Transposon-Mutanten wurden 48 Gene identifiziert, die durch die TN5 Insertionen unterbrochen waren. Zudem wurde in der vorliegenden Arbeit eine Alcanivorax SK2-Mutante isoliert und weiter untersucht, die im vergleich zum Wildtyp grosse Mengen an Polyhydroxyalkanoat produziert, einem wichtigen Rohmaterial für die industrielle Produktion von Bioplastik. Sehr wichtig für biotechnologische Industrieanwendung ist dabei, dass das von der Mutante gebildete Polyhydroxyalkanoat (PHA) in extrazellulär im Kulturmedium abgelagert wird. Daher bietet diese Mutante einen guten Ausgangspunkt für die Entwicklung eines neuen zell-basierten Systems zur Hochdurchsatzproduktion von PHA, da die einfache Gewinnung des ausgeschiedenen PHA aus dem Kulturmedium eine kostengünstige Alternative darstellt zur derzeitigen, ökonomisch aufwendigen und ökologische bedenklichen, Extraktion von intrazellulär abgelagerten PHA Granula.

This study presents a comprehensive functional genomic analysis of the alkane metabolism of the marine oil-degrading bacterium Alcanivorax borkumensis SK2 and its concomitant metabolic adaptations. Two-dimensional gel electrophoresis has revealed 99 cytoplasmic and membrane-associated proteins of alkane-grown cells found to be differentially expressed as compared to pyruvate-grown cells as controls. Proteins found to be up-regulated in hexadecane-grown cells mostly represent enzymes of the terminal oxidation of alkanes, of the glyoxylate bypass, of the gluconeogenesis pathway, of the biosynthesis and of the ß-oxidation of fatty acids. Secondly, transposon mutagenesis was used for functional genome analysis of Alcanivorax SK2 to identify the genetic basis of environmentally relevant phenotypes, such osmotolerance, UV and low temperature adaptation, and biofilm formation. 48 relevant transposon mutants deficient in any of these environmentally responsive functions were isolated, and the corresponding genes interrupted by the mini-Tn5 element were sequenced using inverse PCR. Finally, the present study also describes a mutant of Alcanivorax strain SK2, which hyper-produces polyhydroxyalkanoate (a raw material for the industrial production of bioplastics) and, more importantly from a biotechnological point of view, excretes the produced polymer into the culture medium. This mutant represents a starting point for the development of a new cellular system for high level production of PHA, since recovery of PHA from culture supernatant fluids circumvents the current major economic and environmental problem of cumbersome and costly extraction of intracellular PHA granules.

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Sabirova, Julia: Functional genome analysis of Alcanivorax borkumensis strain SK2 : alkane metabolism, environmental adaptations and biotechnological potential. 2006.

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