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Auswirkungen der Deletion membranständiger Dehydrogenasen auf Gluconobacter oxydans DSM 7145

Impacts of the deletion of membrane-bound dehydrogenases on Gluconobacter oxydans DSM 7145

by Jörn Voss
Doctoral thesis
Date of Examination:2009-07-02
Date of issue:2009-11-06
Advisor:Prof. Dr. Wolfgang Liebl
Referee:Prof. Dr. Wolfgang Liebl
Referee:PD Dr. Rolf Daniel
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-AD7E-1

 

 

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Name:voss_j.pdf
Size:3.26Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract

English

Gluconobacter oxydans is one of the most important organisms in industrial biotechnology because of its ability to incompletely oxidize various sugars, sugar alcohols and sugar acids. The oxidation reactions are catalyzed by membrane-bound dehydrogenases linked to the respiratory chain. As the active sites of these dehydrogenases face the periplasm, substrates need not to be transported into the cytoplasm and the corresponding oxidation products accumulate in the culture medium. Moreover, most substrates are oxidized regio- and stereoselectively, yielding enantiomerically pure products. Deletion of the glycerol dehydrogenase in Gluconobacter oxydans DSM 7145 revealed that is enzyme has a broad substrate spectrum ranging from C3-C6 polyols to gluconate. In contrast to the glycerol dehydrogenase, membrane bound glucose dehydrogenase is only involved in the oxidation of D-glucose. Interestingly, G. oxydans DSM 7145 Δmgdh was still able to grow on complex medium supplemented with D-glucose. A biochemical analysis revealed an increased flux through the central metabolic pathways and acetic acid was detected in culture supernatants. Growth of Gluconobacter oxydans DSM 7145 on complex medium supplemented with meso-erythritol is characterized by two stages: In the first stage meso-erythritol is oxidized almost stoichiometrically to L-erythrulose. The second phase is distinguished from the first phase by a global metabolic change from membrane-bound meso-erythritol oxidation to L-erythrulose assimilation with concomitant accumulation of acetic acid.
Keywords: Gluconobacter oxydans; incomplete oxidation; membrane-bound dehydrogenases; deletion

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Essigsäurebakterien, im besonderen die Gattung Gluconobacter, sind in ihrer Fähigkeit verschiedenste Zucker, Zuckeralkohole und Polyole unvollständig zu oxidieren unübertroffen. Die für die Oxidation verantwortlichen Dehydrogenasen werden in zwei Gruppen, membranständige und cytoplasmatische Dehydrogenasen, die sich in ihrer zellulären Lokalisation, ihrer Funktion in der Zelle und der Substratspezifität unterscheiden, unterteilt. Membranständige Dehydrogenasen katalysieren die unvollständige Oxidation einer Vielzahl von biotechnologisch interessanten Substraten. Sie sind in der Cytoplasmamembran verankert, wobei das aktive Zentrum in den periplasmatischen Raum ragt. Die Substrate müssen somit nicht die Membran passieren und werden nach der Oxidation im periplasmatischen Raum durch die Porine in der äußeren Membran Gram-negativer Bakterien nahezu quantitativ in das umgebende Medium ausgeschieden. Die Inaktivierung der membranständigen Glycerin Dehydrogenase von Gluconobacter oxydans DSM 7145 zeigte, dass dieses Enzym ein breites Substratspektrum besitzt, das C3-C6 Polyole und D-Gluconat umfasst. Im Gegensatz dazu zeigte die Deletion der membranständigen Glucose Dehydrogenase, dass diese lediglich die Oxidation von D-Glucose katalysiert. Interessanterweise konnte ein Wachstum von G. oxydans DSM 7145 Δmgdh auf VM + D-Glucose nachgewiesen werden, was auf eine Aktivierung des cytoplasmatischen Stoffwechsels zurückzuführen war. Als Ausscheidungsprodukt von G. oxydans DSM 7145 Δmgdh konnte bei Anzucht auf VM + D-Glucose Acetat identifiziert werden. Die Anzucht von G. oxydans DSM 7145 auf VM + meso-Erythritol zeigte, dass meso-Erythritol zunächst nahezu quantitativ zu L-Erythrulose oxidiert wird, in einer zweiten Wachstumsphase jedoch eine Abnahme der L-Erythrulose-Konzentration im Kulturüberstand zu beobachten war, die mit einer Akkumulation von Acetat einherging.
Schlagwörter: Gluconobacter oxydans; unvollständige Oxidation; membranständige Dehydrogenase; Deletion
 

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