Open Access

Theresa Dutschei

• Marine algae are essential for fixation of carbon dioxide, which they transform into complex polysaccharides. These carbohydrates are degraded e.g., by marine Bacteroidetes and the understanding of their decomposition mechanism can expand our knowledge how marine biomasses can be accessed. This understanding then gains insights into the marine carbon cycle. This thesis summarizes the current knowledge of marine enzymatic polysaccharide degradation in review Article I and extents a previously discovered ulvan degradation pathway in Article II with the description of a novel dehydratase involved in the ulvan degradation pathway. This enlarged ulvan-degradation pathway can be used to generate fermentable sugars from the algal derived polysaccharide ulvan. A potential biorefinery process is proposed in Article III, where B. licheniformis was engineered to degrade ulvan, thus establishing the initial steps for a microbial cell factory development. In addition to ulvan, also plenty of other complex carbohydrate sources are present in the ocean. The enzymatic elucidation principles previously developed were thus adapted towards a new marine carbohydrate. In Article IV a xylan utilization pathway was elucidated, using enzymes present in Flavimarina Hel_I_48 as model bacterium. The Flavimarina genome contains two separated genome clusters which potentially targets xylose containing polymers reflecting the diversity and adaptions towards different marine xylan-like substrates. Besides, marine Bacteroidetes are adapted towards decomposition of methylated polysaccharide, e.g., porphyran, via demethylation catalyzed by cytochrome P450 monooxygenases. This reaction results in the formation of toxic formaldehyde and thus the marine Bacteroidetes require formaldehyde detoxification principles. The analysis of potential formaldehyde detoxification mechanisms revealed a marine RuMP pathway (Article V) and a novel auxiliary activity of an alcohol dehydrogenase of which the encoding gene is adjacent to the demethylase cluster (Article VI).
• Meeresalgen sind wichtig für die Fixierung von Kohlendioxid, das sie in komplexe Polysaccharide umwandeln. Diese Kohlenhydrate werden z. B. von marinen Bacteroidetes abgebaut, und das Verständnis ihrer Zersetzungsmechanismen kann unser Wissen darüber erweitern, wie marine Biomassen zugänglich gemacht werden können. Dieses Verständnis ermöglicht dann Einblicke in den marinen Kohlenstoff Kreislauf. Diese Arbeit fasst den aktuellen Wissensstand über den enzymatischen Polysaccharidabbau im Meer in Artikel I zusammen und erweitert einen zuvor entdeckten Ulvan-Abbauweg in Artikel II durch die Beschreibung einer neuartigen Dehydratase, die am Ulvan-Abbauweg beteiligt ist. Dieser erweiterte Ulvan-Abbauweg kann genutzt werden, um aus dem aus Algen gewonnenen Polysaccharid Ulvan vergärbare Zucker zu erzeugen. In Artikel III wird ein potenzieller Bioraffinerieprozess vorgeschlagen, bei dem B. licheniformis so verändert wurde, dass es Ulvan abbaut, wodurch die ersten Schritte für die Entwicklung einer mikrobiellen Zellfabrik eingeleitet wurden. Neben Ulvan gibt es im Ozean noch viele andere komplexe Kohlenhydratquellen. Die zuvor entwickelten enzymatischen Aufklärungsprinzipien wurden daher an ein neues marines Kohlenhydrat angepasst. In Artikel IV wurde ein Xylan-Verwertungsweg aufgeklärt, wobei Enzyme in Flavimarina Hel_I_48 als Modellbakterium verwendet wurden. Das Flavimarina-Genom enthält zwei getrennte Genomcluster, die potenziell auf xylosehaltige Polymere abzielen, was die Vielfalt und die Anpassungen an verschiedene marine xylanartige Substrate widerspiegelt. Außerdem sind marine Bacteroidetes an die Zersetzung von methylierten Polysacchariden, z. B. Porphyran, durch Demethylierung angepasst, die durch Cytochrom P450-Monooxygenasen katalysiert wird. Diese Reaktion führt zur Bildung von giftigem Formaldehyd, so dass die marinen Bacteroidetes Formaldehyd-Entgiftungsprinzipien benötigen. Die Analyse möglicher Formaldehyd-Entgiftungsmechanismen ergab einen marinen RuMP-Weg (Artikel V) und eine neuartige Hilfsaktivität einer Alkoholdehydrogenase, deren kodierendes Gen dem Demethylase-Cluster benachbart ist (Artikel VI).