Genom- und Transkriptionsanalyse von <i>Bacillus licheniformis</i> DSM13 - einem Organismus mit großem industriellem Potential

Abstract

Bacillus licheniformis ist ein Gram-positiver Organismus von großem industriellem Interesse, welcher in der technischen Fermentation zur Produktion großer Mengen Exoenzyme, wie Proteasen oder Amylasen, eingesetzt wird. Um Engpässe bei diesen auf B. licheniformis basierenden Bioprozessen zu identifizieren und zu beseitigen, ist das Verständnis der metabolischen Stoffwechselwege während des Wachstums unter Verwertung unterschiedlicher Kohlenstoffquellen essentiell. Eine wesentliche Voraussetzung für eine detaillierte physiologische Analyse dieses Organismus stellt somit die Kenntnis seiner vollständigen Genomsequenz dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Genom des Wildtypstammes B. licheniformis DSM13/ATCC14580 mit einer 7,45-fachen Abdeckung sequenziert. Das einzelne zirkuläre Chromosom mit einer Länge von 4.222.748 Basenpaaren (bp) und einem durchschnittlichen G+C Gehalt von 46,2% codiert für 4.286 offene Leserahmen (ORFs), 72 transfer RNAs und sieben Cluster ribosomaler RNA. Die komparative Analyse der Genomsequenzen von B. licheniformis und dem engverwandten Bacillus subtilis 168 zeigt eine hohe funktionelle Konservierung und Co-Linearität der beiden Genome. Es konnten jedoch auch einige signifikante Unterschiede bezüglich der genomischen Eigenschaften entdeckt werden. So wurde eine Vielzahl neuer Gene von potentiellem Interesse für biotechnologische Anwendungen, wie Proteasen, Pektat-Lyasen, Lipasen und diverse Polysaccharid-abbauende Enzyme, identifiziert. Hinsichtlich des Metabolismus erwies sich das Vorhandensein der Gene einer Isocitrate-Lyase und einer Malat-Synthase, welche die Schlüsselenzyme des Glyoxylatzyklus darstellen, als auffällige Abweichung. Diese Enzyme befähigen den Organismus zum Wachstum auf Substraten, wie 2,3-Butandiol und Acetat, bei welchen es sich um typische Endprodukte von Bacilli unter der Verwertung kohlenstoffreicher Nährmedien handelt. Weitere Unterschiede stellen die Identifizierung einer anaeroben Ribonukleotid-Reduktase und zweier Typ I Restriktionssysteme dar. Anhand der Genomdaten von B. licheniformis DSM13/ATCC14580 wurde ein PCR basierter DNA Microarray erstellt, welcher 95% aller ORFs größer 300 bp abdeckt. Mit Hilfe der Transkriptionsanalyse konnte der Metabolismus von Bacillus licheniformis während des Wachstums mit Acetat bzw. 2,3-Butandiol als einziger Kohlenstoffquelle beobachtet und analysiert werden. Die Funktionalität des Glyoxylatzyklus wurde mittels DNA Microarray Technologie, Wachstumsexperimenten und der quantitativen Real-time RT-PCR verifiziert und somit die Gültigkeit der bioinformatischen Voraussagen bestätigt. Mit Hinblick auf eine Optimierung kommerziell genutzter B. licheniformis Stämme, ist mit der vollständigen Genomsequenz von B. licheniformis DSM13/ATCC14580 und dem dazugehörigen DNA Microarray eine viel versprechende Grundlage geschaffen.