Metabolic adaptation processes of the marine bacterium Dinoroseobacter shibae DFL12T to changing environmental conditions

Kleist, Sarah Alessandra

Meeresbakterien sind global von Bedeutung, da sie wesentlich zum marinen Leben beitragen. Dabei müssen Bakterien wie auch die heterotrophe Roseobacter Gruppe, abhängig von Jahreszeit und Region, mit schwierigen Bedingungen umgehen. In der vorliegenden Arbeit wurden umweltbedingte Adaptationsprozesse des marinen Bakteriums Dinoroseobacter shibae DFL12T in kollaborativen Systembiologie-Studien untersucht. Der Fokus dieser Arbeit lag auf dem Metabolom. Während der Umstellung von Sauerstoff- auf Nitratatmung zeigten zeitaufgelöste Analysen eine effiziente und zielorientierte Adaptation von D. shibae. Beobachtete Änderungen im Proteom und Transkriptom beschränkten sich vornehmlich auf die Etablierung des Denitrifikationsapparats. Durch das kurzzeitige Fehlen eines adäquaten Elektronenakzeptors war die Regeneration von ATP und NAD(P)+ stark gehemmt. Dies führte zu einer ausgeprägten metabolischen Krise. Teilweise bewältigte der Organismus diese durch die Produktion des Speicherstoffes poly-(R)-3-Hydroxybutanoat, um überschüssiges NAD(P)H zu verbrauchen und somit essentielle metabolische Prozesse zu ermöglichen. Mit beginnender Denitrifikation klang die metabolische Krise ab. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei bisher in D. shibae unbekannte Metabolite identifiziert: a-Glucosylglycerol und a-Glucosylglycerat. Letzteres wurde hier zum ersten Mal in a-Proteobakterien nachgewiesen. Für die identifizierten Glycoside sowie Glutamat und Putrescin wurde gezeigt, dass sie unter bestimmten Bedingungen osmoprotektiv wirken. Unter hypoosmotischen Bedingungen wird angenommen, dass Putrescin Makromoleküle schützt. D. shibae verwendet vornehmlich Glutamat, unterstützt von a-Glucosylglycerol, für osmoregulative Zwecke. Ein Salzschock-Experiment offenbarte die essentielle Rolle des 153 kb Chromids von D. shibae bei der Adaptation an veränderte Salinität. Generell zeigten die durchgeführten Experimente, dass D. shibae in einem Salzkonzentrationsbereich von 0.3 bis 5 % wächst. Unter Stickstofflimitierung zeigte sich, dass Glutamat durch a-Glucosylglycerat ersetzt wird, um einen adäquaten Turgor aufrecht zu erhalten. Außerdem wurden große Mengen poly-(R)-3-Hydroxybutanoat detektiert. Wahrscheinlich wird poly-(R)-3-Hydroxybutanoat gebildet, um überschüssigen Kohlenstoff zu lagern. Allgemein bietet die vorliegende Arbeit detaillierte Einblicke in umweltbedingte Adaptationsstrategien des Meeresbakteriums D. shibae, das daher als Modell für weitere Meeresbakterien dient.

Marine bacteria essentially contribute to the marine life and are thus globally of importance. However, bacteria have to deal with challenging conditions according to season or region such as the bacteria of the heterotrophic Roseobacter group. In the present work, adaptation processes to changing environmental conditions of the marine bacterium Dinoroseobacter shibae DFL12T were investigated. Collaborative systems biology studies were conducted with focus on the metabolome in this work. Time-resolved analyses during the transition from oxygen to nitrate respiration showed an efficient and target-oriented adaptation of D. shibae. Observed changes in the proteome and transcriptome primarily concerned the establishment of the denitrification apparatus. Regeneration of ATP and NAD(P)+ was strongly inhibited due to a temporary lack of an adequate electron acceptor. This led to a distinct metabolic crisis. Partially, the organism overcame this crisis by forming the storage compound poly-(R)-3-hydroxybutanoate. Its formation consumes excess NAD(P)H and thus enabled essential metabolic processes. With starting denitrification the metabolism relaxed again. Within the scope of this thesis, two so far unknown metabolites of D. shibae were identified, namely a-glucosylglycerol and a-glucosylglycerate. The latter was detected here for the first time within the class of a-proteobacteria. The identified glycosides as well as glutamate and putrescine have been shown to act osmoprotective under certain conditions. Under hypo-osmotic conditions, putrescine is assumed to be a protector for macromolecules. Otherwise, predominantly glutamate is used for osmoregulative purposes, assisted by a-glucosylglycerol. A salt shock experiment revealed the essential role of the 153 kb chromid of D. shibae in adaptation to changing salinity. In general, conducted experiments showed growth of D. shibae in a salt concentration range of 0.3 to 5 %. D. shibae exposed to nitrogen-limitation has been shown to replace glutamate by a-glucosylglycerate to maintain an adequate turgor. Furthermore, high quantities of poly-(R)-3-hydroxybutanoate were detected. Probably, poly-(R)-3-hydroxybutanoate is formed to store excess carbon. Overall, the present work gives detailed insights in adaptation strategies of D. shibae to changing environmental conditions, which thus serves as model for further marine bacteria.

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Kleist, Sarah Alessandra: Metabolic adaptation processes of the marine bacterium Dinoroseobacter shibae DFL12T to changing environmental conditions. 2016.

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