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Basenpaaren. Da bislang keinerlei genetische tung der Genomdaten wies interessanterweise säuren gewährleistet. In diesem Zusammen- Daten über C. jeikeium vorlagen, liefert die auf das Fehlen eines Gens für eine Fettsäure- hang ist noch erwähnenswert, daß C. jeikeium erstellte Genomsequenz und die daraus abge- Synthase hin. Dem aus taxonomischen Arbeiten durch die enzymatische Umsetzung apokriner leitete Genausstattung erstmals Einblicke in die bekannten lipophilen Charakter von C. jeikeium Sekrete der Achselhöhle auch an der Entste- Physiologie dieses Bakteriums und in die Me- hung des Schweißgeruches beteiligt sein kann.
chanismen, die zu seiner Multiresistenz und Fettsäure-Auxotrophie zugrunde. In diesem Es bleibt also abzuwarten bzw. zu erforschen, Zusammenhang sind nun besonders die mögli- welche Rolle C. jeikeium eigentlich als Bestand- chen Virulenzfaktoren von C. jeikeium von teil der menschlichen Hautflora spielt. Gelangt Das Entschlüsseln der
Bedeutung, da viele von ihnen an enzymati- das Bakterium jedoch an ansonsten sterile Be- genomischen Sequenzdaten
schen Reaktionen beteiligt sind, die prinzipiell reiche des menschlichen Körpers, kann es dort von C. jeikeium
durch die Schädigung des Wirtsgewebes zur durch seine Genausstattung schwere nosoko- Freisetzung von Fettsäuren beitragen können.
daß die chromosomale DNA von C. jeikeium Damit besteht offensichtlich ein unmittelbarer K411 mit zahlreichen „Inseln“ durchsetzt ist, Zusammenhang zwischen der Fettsäure-Auxo- und Analyse des Genoms von C. jeikeium K411 die sich durch einen atypischen G+C-Gehalt trophie von C. jeikeium, der damit verbundenen wird in der Juli-Ausgabe (Heft 187, Nr. 13) der der DNA auszeichnen. Viele dieser Bereiche Abhängigkeit von exogenen Fettsäuren für das Zeitschrift Journal of Bacteriology erscheinen.
sind in unmittelbarer Nähe zu transponierbaren bakterielle Wachstum und der vorhergesagten DNA-Elementen lokalisiert oder stellen selbst Wirkungsweise der Virulenzfaktoren. Es wird Kontakt
Transposonen dar. Diese kodieren nicht nur für somit auch verständlich, warum C. jeikeium Proteine, die vermutlich über verschiedene überwiegend in intertriginösen Bereichen der molekulare Mechanismen zur Multiresistenz Haut gefunden wird, denn nur dort ist wahr- von C. jeikeium beitragen können, sondern scheinlich durch die erhöhte Feuchtigkeit und E-Mail: [email protected] auch für Proteine des Eisen- und Manganstoff- die Bildung des Hydrolipidfilms der Haut eine wechsels. Die weitere metabolische Auswer- ausreichende Versorgung mit exogenen Fett- Überleben im Überfluss:
Das Essigsäurebakterium Gluconobacter oxydans
Das Genom von G. oxydans scheint eine extreme Anpassung an Habitate
mit hohen Substratkonzentrationen darzustellen
Armin Ehrenreich, Christina Prust, Gerhard Gottschalk und Uwe Deppenmeier
Essigsäurebakterien, zu denen die Gattung Mikroorganismen nicht selten. So oxidiert etwa Oxidationen eine Vielzahl von Produkten. Es Gluconobacter gehört sind strikt aerobe, Gram- Bacillus subtilis bei Wachstum auf Glucose unter stellt sich die Frage nach dem Grund für diese negative Organismen, die phylogenetisch in der aeroben Bedingungen nur einen geringen Teil Eigenschaft der Mikroorganismen: Ist es nicht Gruppe der ␣-Proteobakterien stehen. Ihre cha- der Glucose vollständig. Der größte Teil des eine „Energieverschwendung“ Substrate wie rakteristische physiologische Eigenschaft ist, Kohlenstoffs wird als Acetat und daneben auch Glucose nur bis zum Acetat oder gar nur zu dass sie ihre Substrate nur unvollständig oxi- als 2,3-Butandiol oder Laktat ausgeschieden.
Ketogluconaten zu oxidieren und dabei auf Ganz ähnlich ist es auch bei Saccharomyces einen Großteil der Energie zu verzichten? In cerevisiae: Bei hohen Glucosekonzentrationen dieser Hinsicht interessant ist die Beobachtung, Unvollständige Oxidationen:
wird selbst unter aeroben Bedingungen ein dass viele Organismen nur dann unvollständi- Besser viel als gründlich
großer Teil des Kohlenstoffs der Glucose zu ge Oxidationen betreiben, wenn relativ viel Ethanol umgesetzt und nicht zu CO oxidiert.
Substrat zur Verfügung steht. So oxidiert die steht man, dass ein Substrat wie etwa Glucose Burkholderia cepacia oxidiert Glucose, genau oben erwähnte Bäckerhefe S. cerevisiae Gluco- nicht vollständig zu Kohlendioxid und Wasser wie Essigsäurebakterien, zunächst nur zu Glu- se vollständig, wenn diese nur in geringen Kon- oxidiert wird, sondern durch den Organismus conat und dann auch zu 2-Ketogluconat. Wie als mehr oder weniger oxidierte Zwischenstufe zumindest bei einigen Organismen unvollstän- ausgeschieden wird. Diese Eigenschaft ist unter erkennen kann, entstehen bei unvollständigen dige Oxidationen als eine Anpassung an hohe Substratkonzentrationen sehen. Für einen Mikroorganismus ist bei Substratüberschuss hohe Substratkonzentrationen dar. Dies passt nicht die Energie pro Substratmolekül sondern auch zu dem natürlichen Vorkommen der Orga- die Energie pro Zeiteinheit von Bedeutung.
nismen im Nektar von Blüten, im Bienendarm, Zudem ist die Beobachtung wichtig, dass bei auf Früchten und an anderen Stellen mit stark unvollständigen Oxidationen große Produkt- mengen in relativ kurzer Zeit angehäuft wer- den. Dies geht oft mit einer Veränderung der Gluconobacter bereits seit vielen Jahren in Lebensbedingungen einher, an die der unvoll- einer Reihe von Verfahren zu Nutze (1). Von ständig oxidierende Organismus oft gut ange- technischem Interesse ist zum Beispiel die fer- passt ist, viele seiner Konkurrenten dagegen mentative Gewinnung von Vorstufen für die nicht. So produzieren Essigsäurebakterien aus chemische Synthese von Ascorbinsäure (Vita- Glucose Gluconsäure und Ketogluconsäuren.
min C) nach dem Reichstein-Verfahren; hier Diese Produkte führen zu einer schnellen wird die Oxidation von D-Sorbit zu L-Sorbose mikrobiell durchgeführt. In moderneren Verfah- viele potentielle Nahrungskonkurrenten nicht ren schließt sich die Oxidation der D-Sorbose zu Abb. 1: Elektronenmikroskopische Aufnahme von mehr wachsen, während etwa Gluconobacter 2-Keto-L-Gulonsäure an. Auch die Umsetzung Gluconobacter oxydans 621H. Foto: Dr. M. Hoppert, noch unterhalb von pH 3 Wachstum zeigt. Ganz von 1-Amino-D-Sorbit zu 1-Amino-L-Sorbose ähnlich ist die relativ hohe Toleranz von S. cere- als Vorstufe für die Synthese des antidiabe- visiae gegenüber dem akkumulierten Ethanol tischen Wirkstoffes Miglitol ist eine mit Gluco- tionen angepasst sind. Abbildung 2 verdeut- nobacter durchgeführte unvollständige Oxida- licht die Topologie dieses Stoffwechsels mit tion. Gluconobacter-Stämme produzieren ali- dem Substrat Sorbitol als Beispiel. Es ist er- Gluconobacter oxydans,
phatische und aromatische Carbonsäuren und kennbar, dass der Organismus auch eine Reihe der geborene Biotechnologe
Thiocarbonsäuren, die als Geschmacksstoffe Anwendung finden. Weitere wichtige Produkte, sitzt, die ähnliche Reaktionen wie die membr- Essigsäurebakterien unvollständige Oxidatio- die von G. oxydans gebildet werden, sind Dihy- anständigen Dehydrogenasen katalysieren, nen durchführen, sondern dass sie extreme Bei- droxyaceton (Bräunungsmittel und chemischer aber ihre Reduktionsäquivalente auf NAD oder spiele für diesen Stoffwechseltyp darstellen: Grundstoff), Gluconat (Spülmittelzusatz und NADP übertragen. Diese cytoplasmatischen Eine Vielzahl von Zuckern, Polyolen und ande- Säuerungsmittel für Lebensmittel), 2-Ketoglu- Enzyme sind offensichtlich dafür verantwort- ren Alkoholen kann unvollständig in Einzel- conat (chemische Synthese) und 5-Ketogluco- lich, einen Teil der von den membrangebunde- schritten zu den korrespondierenden Zucker- nat (Synthese von L-(+)-Weinsäure). Die oben nen Proteinen gebildeten Oxidationsprodukte säuren oder Ketonen umgesetzt werden. Weil erwähnten Oxidationsreaktionen werden in G. in den Zellstoffwechsel einzuschleusen, um oxydans durch lösliche oder membrangebunde- schritte erfolgen, werden riesige Substratmen- ne Dehydrogenasen katalysiert. In den letzten gen für die Bildung von vergleichsweise wenig Jahren sind eine Reihe derartiger Enzyme iden- Reihe von Dehydrogenasen charakterisiert, Zellmasse umgesetzt. Diese Tatsache ist auch tifiziert und charakterisiert worden. Hier sind doch war aufgrund des enormen Oxidationspo- der Grund dafür, dass Essigsäurebakterien für an erster Stelle die Glucose-, die Alkohol- und tentials zu vermuten, dass G. oxydans weitere die Biotechnologie sehr interessant sind: Sie sind gewissermaßen „lebende Katalysatoren“ prosthetische Gruppe das Pyrrolochinolinchi- Dehydrogenasen besitzt, deren Struktur und für stereo- und regioselektive Oxidationsreak- non (PQQ) enthalten. Daneben wurden Flavin- Substratspektrum bislang nicht bekannt waren.
tionen an Zuckern und anderen Alkoholen die abhängige Dehydrogenasen gefunden, die D- Licht in das Dunkel des Stoffwechsels dieses chemisch nicht oder nur schwer durchzuführen Sorbit und Gluconat umsetzen. Das Besondere industriell bedeutsamen Organismus brachte sind. Hinzu kommt, dass Essigsäurebakterien an diesen Enzymen ist, dass sie membranstän- erst die komplette Sequenzierung und Analyse hohe Substratkonzentrationen, z.B. bis zu 25% dig sind, wobei ihr aktives Zentrum nach außen des Genoms von G. oxydans 621H, die im Labo- Glucose, tolerieren, sich also bei Fermentatio- in den periplasmatischen Raum gerichtet ist.
ratorium für Genomanalyse der Universität nen sehr hohe Raum/Zeit-Ausbeuten erreichen Dies ermöglicht es dem Bakterium ein Substrat Göttingen durchgeführt wurden (4).
lassen. Gluconobacter ist unter den Essigsäure- zu oxidieren, ohne dieses vorher in das Cyto- bakterien die am stärksten an den geschilder- plasma transportieren zu müssen (2). Die Sub- Das Genom von
ten Lebensstil angepasste Gattung. Sie kann im stratmoleküle gelangen durch Porine in den Gluconobacter oxydans 621H
Gegensatz zu Organismen der Gattung Aceto- periplasmatischen Raum, werden dort oxidiert, bacter keinerlei vollständige Oxidation durch- und die Oxidationsprodukte können das Peri- steht aus einem circulären Chromosom von führen. Während etwa die Essigsäure, die Ace- plasma durch die Porine schnell wieder verlas- 2.702.173 bp. Zusätzlich besitzt G. oxydans 5 tobacter aus dem Substrat Ethanol gebildet sen. Das ermöglicht den Essigsäurebakterien, Plasmide mit einer Größe von 26,6 kb, 14,6 kb, hat, nach dem Verbrauch des Ethanols voll- vergleichsweise große Substratmengen umzu- 13,2 kb, und 2,7 kb. Insgesamt wurden auf dem ständig oxidiert wird, ist Gluconobacter zu kei- setzen und liefert eine Erklärung, warum diese Genom 2.601 ORFs, 4 rRNA Operons sowie 55 ner vollständigen Oxidation fähig; er stellt also Organismen so gut an hohe Substratkonzentra- tRNA Gene identifiziert. Die Sequenz des Ge- noms ermöglichte eine Rekonstruktion des fas- nolpyruvat-synthetisierenden Enzyme in G. oxy- Literatur
zinierenden Stoffwechsels von G. oxydans, der dans nachgewiesen werden. Die Assimilation 1. Adachi, O., D. Moonmangmee, H. Toyama, diesem Organismus ein Leben bei hohen Sub- von Kohlenhydraten scheint über den oxidati- M. Yamada, K. Shinagawa, and K. Matsushita. stratkonzentrationen ermöglicht. So wurden ven Pentosephosphat-Zyklus oder den Entner- 2003. New developments in oxidative fermentation. nicht weniger als 75 Dehydrogenasen identifi- Doudoroff Weg zu verlaufen, wobei die genaue Appl Microbiol Biotechnol 60:643-653. ziert, von denen die wenigsten bereits bioche- Funktion der vielen löslichen Dehydrogenasen 2. Deppenmeier, U., M. Hoffmeister, and C. Prust. misch charakterisiert sind. Erst die Genomse- noch offen bleibt. Eine Gluconeogenese scheint 2002. Biochemistry and biotechnological appli- quenz lässt die oxidativen Fähigkeiten dieses also in Habitaten mit hohem Zuckergehalt nicht cations of Gluconobacter strains. Appl Microbiol notwendig zu sein. Ungewöhnlich für einen werden, dass man das biotechnologische Po- strikten Aerobier: Der Citronensäurezyklus ist 3. Gupta, A., V. K. Singh, G. N. Qazi, and A. Kumar. tential der Essigsäurebakterien wohl gerade aufgrund einer fehlenden Succinat-Dehydroge- 2001. Gluconobacter oxydans: Its Biotechnological erst angekratzt hat. Die Elektronen, die durch nase unvollständig und kann somit nur biosyn- Applications. J Mol Microbiol Biotechnol 3:445-456. thetischen Zwecken dienen, analog zu vielen 4. Prust, C., M. Hoffmeister, H. Liesegang, A. Wiezer, Substrat entzogen werden, fließen in eine rela- anaeroben Organismen. Somit bestätigt die W. F. Fricke, A. Ehrenreich, G. Gottschalk, and U. tiv einfache Atmungskette bestehend aus Ubi- Genomsequenz, dass G. oxydans nicht zu einer Deppenmeier. 2005. Complete genome sequence chinon und Chinon-Oxidasen des Typs bo und vollständigen Oxidation in der Lage ist. Wie of the acetogenic bacterium Gluconobacter bd. Auch in Bezug auf die Atmungskette wirft diese kurze Darstellung erahnen lässt, hat G. oxydans. Nature Biotech 23:195-200. das Genom von G. oxydans spannende Fragen oxydans einen sehr außergewöhnlichen Stoff- für die weitere Arbeit auf: Der Organismus ent- wechsel, der nur durch seine Ökologie zu ver- Kontakt
hält eine Ubichinon:Cytochrom c Oxidoreduk- stehen ist und für die Wissenschaft noch viele tase, ohne jedoch eine identifizierbare Cyto- Fragen aufwirft. Gleichzeitig eröffnet dieser BiotechGenoMik Netzwerk Göttingen chrom c Oxidase zu besitzen. Hier müssen funk- Stoffwechsel aber auch ein großes biotechno- im Institut für Mikrobiologie und Genetik logisches Potential, wenn es um einfach und der Georg-August-Universität Göttingen billig durchzuführende stereo- und regioselek- ierte Zentralstoffwechsel reflektiert ebenfalls die extreme Anpassung dieses Organismus an Polyolen geht, die mit den Mitteln der techni- ein Leben bei hohen Substratkonzentrationen.
schen Chemie nicht oder nur sehr schwer zu Eine vollständige Glykolyse oder Gluconeoge- bewerkstelligen sind. Gerade die Methoden des nese fehlt, da weder eine Phosphofructokinase, „metabolic engineering“ könnten dieses noch eine Fructose-bisphosphatase vorhanden sind. Darüber hinaus konnten keine Phosphoe-

Source: http://www.genomxpress.de/content/ausgaben/GenomXPress-2005-2/GenomXPress-2005-2-Seite-18-20.pdf