Metabolomanalyse des hyperthermophilen Archaeons Sulfolobus solfataricus unter dem Einfluss von Temperaturveränderungen mit Gaschromatographie-Massenspektrometrie

Wieloch, Patricia Anna

Hyperthermophile Archaeen weisen viele interessante Charakteristika in ihrem Stoffwechsel auf. Dieser ist jedoch noch vergleichsweise wenig erforscht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine erste Analyse des Metaboloms des hyperthermophilen Archaeons Sulfolobus solfataricus durchgeführt, um eventuelle Anpassungsstrategien und Regulationsmechanismen des Organismus an die extremen Lebensbedingungen zu ergründen. Im Fokus stand dabei der zentrale Kohlenhydratstoffwechsel, der bei S. solfataricus einen abgewandelten Entner-Doudoroff-Weg beinhaltet. In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern des SulfoSys-Projekts wurden Daten mehrerer zellulärer Ebenen in einem systembiologischen Kontext vereinigt. Nachdem die Kultivierungsbedingungen und wichtige mikrobiologische Parameter für den in der Arbeitsgruppe neuen Organismus bestimmt sowie die Aufarbeitungsprozedur für eine verlässliche Metabolomanalyse etabliert worden waren, wurde ein erstes metabolisches Profil von S. solfataricus generiert und zunächst qualitativ ausgewertet. Beim Vergleich von S. solfataricus mit mesophilen Bakterien konnten einige Unterschiede in den metabolischen Profilen detektiert werden, die möglicherweise zum Teil archaeenspezifisch oder auch einzigartig für Thermophile sind. Quantitative Veränderungen von relativen Metabolitkonzentrationen des zentralen Kohlenhydrat- sowie des peripheren Stoffwechsels bei Temperaturen von 10°C und 15°C unterhalb des Optimums (80°C) deuten auf spezifische Anpassungen des Organismus auf dieser Ebene hin. Die Analyse einer knock out Mutante mit fehlender KDG-Kinase ergab interessanterweise ähnliche Veränderungen im zentralen Kohlenhydratstoffwechsel wie der Wildtyp bei niedrigeren Temperaturen. Diese wurden mit zusätzlichem Temperatureinfluss noch verstärkt. Es konnten weiterhin Veränderungen zwischen Proben beobachtet werden, die einem plötzlichen Kälte- und Hitzeschock ausgesetzt worden waren.

Hyperthermophilic archaea possess some interesting modifications concerning their metabolism, which is up to now comparatively sparsely investigated. As a part of this PhD thesis, a first analysis of the metabolome of the hyperthermophilic archaeon sulfolobus solfataricus was realised to investigate possible regulation mechanisms and adaptation strategies to the extrem environmental conditions of the organism. The focal point of the investigation was the central carbohydrate metabolism, which contains a modified type of the Entner-Doudoroff pathway in S. solfataricus. In collaboration with the partners from the SulfoSys-project, data including several disciplines were investigated at the systems level. In the beginning, it was necessary to establish the cultivation conditions and to determine important icrobiological parameters for this still new organism in our group. Furthermore, the procedure for a reliable metabolome analysis had to be optimized for S. solfataricus. Finally, a first metabolome analysis could be generated and was followed by a qualitative interpretation. The comparison of the metabolic profiles of S. solfataricus and mesophilic bacteria detected some differences, which could be partly specific for archaea, whereas other changes may represent thermophilic features. Quantitative changes of relative metabolite concentrations of central carbohydrate metabolism and peripheric pathways at a temperature of 10°C and 15°C below the optimum (80°C) indicate a specific adaptation of the organism at metabolite level. Interestingly, the analysis of a knock out mutant which lacks the KDG kinase showed similar changes as the wildtype at lower temperatures within the central carbohydrate metabolism. This effect still increases under the influence of lower temperature. Furthermore, changes in metabolite concentration could be observed between samples which had been exposed an abrupt cold and heat shock.

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Wieloch, Patricia Anna: Metabolomanalyse des hyperthermophilen Archaeons Sulfolobus solfataricus unter dem Einfluss von Temperaturveränderungen mit Gaschromatographie-Massenspektrometrie. 2012.

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