Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001681-3

Transcriptome analyses of industrially relevant bacteria

  • In many industrial sectors biotechnological production processes have replaced pure chemical methods and allowed new, ecologically friendly and enzyme-based processes. Microorganisms, such as modified Bacillus strains are used in particular for the industrial enzyme synthesis. The two organisms Bacillus licheniformis and Bacillus pumilus are of great industrial importance. B. licheniformis is able to secrete proteins in large amounts, while B. pumilus shows high resistance to oxidative stress. During production processes different conditions can occur that affect the physiology of the production hosts and may result in a quantitative, but also a qualitative impairment of the products. This influence is based on e.g. chemical processes, the setting of temperature, pH, or oxygen availability and can lead to various stress situations for the bacteria. Cells respond to changes in their environment by sensing stressors and initiate a response to the stress, which is usually implemented by an induction or derepression of various regulons. In order to conduct an optimal production process, the metabolism and stress responses of the utilized bacteria should be known exactly. The aim of this study was to analyze of the stress response of B. licheniformis to heat and salt stress, and the stress response of B. licheniformis and B. pumilus to oxidative stress. These analyses were performed at the level of transcriptomics using cDNA microarrays, which is the most direct and global method for the analysis of changes in the physiology of a cell. The identification of stress specific markers genes and their differentiation from the SigB regulated general stress response has been another purpose of this work. Knowledge of these marker genes enables a prompt analysis of the fermentation conditions and thus a possible optimization of the process. The transcriptome analyses of this work show that B. licheniformis responds to heat stress by the induction of heat shock genes belonging to different regulons. These include the htpG gene, the HrcA regulon or the CtsR regulon, encoding chaperones and proteases, which mainly contribute to the protein quality control. The heat stress response of B. licheniformis revealed no fundamental differences to the heat stress response of the Gram-positive model organism Bacillus subtilis. The general stress response (SigB regulon), which is activated by heat stress, could be analyzed in more detail by the study of a ΔsigB mutant of B. licheniformis. Salt stress also provokes a strong induction of the general stress response in B. licheniformis. Genes for the transport and synthesis of compatible solutes were strongly induced, as well as several genes for transport systems with more or less known functions. The synthesis of the osmoprotective metabolites proline and glycine betaine could be verified in more detail by a metabolomics approach. The response to oxidative stress showed differences between both B. licheniformis and B. pumilus, and also to the oxidative stress response of B. subtilis. In B. licheniformis, the genes of the glyoxylate cycle are induced during oxidative stress. An activation of the glyoxylate bypass under oxidative conditions could be confirmed by a metabolome analysis of B. licheniformis. In addition, the PerR regulon of B. licheniformis is extended to include another two genes compared to B. subtilis. In contrast, several genes of the PerR regulon lack in the genome of B. pumilus, such as katA (vegetative catalase) or ahpCF (alkyl hydroperoxide reductase). However, other genes were induced in B. pumilus that were upregulated under oxidative stress conditions neither in B. subtilis nor in B. licheniformis. In addition, known regulons, regulated by e.g. Spx, CtsR or SOS were induced in both organisms. In summary, this dissertation transcriptionally analyzes the stress responses of B. licheniformis to heat, salt and oxidative stress, and in addition the oxidative stress response of B. pumilus. Several stress-specific regulons were identified in both, B. pumilus and B. licheniformis, which also correspond to the stress response of B. subtilis. However, it was possible to additionally assign genes to the stress specific responses of both organisms and to find differences, such as the absence of parts of the PerR regulon of B. pumilus, or the activation of the glyoxylate pathway in B. licheniformis during oxidative stress.
  • In vielen industriellen Bereichen haben biotechnologische Prozesse rein chemische Verfahren ersetzt bzw. neue umweltschonende Enzym-basierte Verfahren ermöglicht. Besonders bei der industriellen Enzymsynthese kommen Mikroorganismen wie z.B. modifizierte Bacillus Stämme zum Einsatz. Die Organismen Bacillus licheniformis und Bacillus pumilus sind dabei von großer Bedeutung. B. licheniformis ist in der Lage Proteine in großen Mengen zu sezernieren, während B. pumilus eine hohe Resistenz gegenüber oxidativem Stress aufweist. Während der Produktionsprozesse im Fermenter können Bedingungen auftreten, die die Physiologie der produzierenden Organismen beeinträchtigen. Dies kann zu einer quantitativen, aber auch qualitativen Minderung der Produkte führen. Dieser Beeinflussung können beispielsweise chemische Prozesse, die Einstellung der Temperatur, des pH-Werts oder der Sauerstoffverfügbarkeit zugrunde liegen. Es kann daher zu verschiedenen Stresssituationen für die produzierenden Bakterien kommen. Zellen reagieren auf veränderte Umweltbedingungen, indem sie die Stressoren wahrnehmen und eine physiologische Schutzreaktion einleiten, was meist durch die Induktion oder Derepression verschiedener Regulons realisiert wird. Um einen optimalen Produktionsprozess durchführen zu können, sollte man den Stoffwechsel des verwendeten Bakteriums, sowie seine Reaktion auf Stressbedingungen genau kennen. Ziel dieser Arbeit war es, die Stressantwort von B. licheniformis auf Hitzestress und Salzstress, sowie von B. licheniformis und B. pumilus auf oxidativen Stress zu analysieren. Die Untersuchungen erfolgten auf Ebene der Transkription mittels cDNA-Microarrays. Dies ist die unmittelbarste globale Methode, um Änderungen in der Physiologie der Zelle zu analysieren. Die Identifizierung von Stress-spezifischen Markergenen und ihre Unterscheidung von der SigB regulierten generellen Stressantwort war ein weiteres Ziel dieser Arbeit. Die Kenntnis dieser Markergene ermöglicht eine zeitnahe Analyse der Fermentationsbedingungen und damit verbunden eine mögliche Optimierung des Prozesses. Die Transkriptomanalysen dieser Arbeit zeigten, dass B. licheniformis auf Hitzestress mit der Induktion von Hitzeschockgenen reagiert, die verschiedenen Regulons angehören. Dazu gehören unter anderem das htpG Gen, sowie das HrcA Regulon oder das CtsR Regulon, welche vorwiegend Chaperone und Proteasen kodieren, die zur Proteinqualitätskontrolle beitragen. Diese Reaktionen unterscheiden sich nicht signifikant von der des Gram-positiven Modellorganismus Bacillus subtilis. Die generelle Stressantwort (SigB Regulon), die durch Hitzestress aktiviert wird, konnte für B. licheniformis durch die Untersuchung einer ΔsigB Mutante genauer analysiert werden. Auch unter Salzstress konnte eine starke Induktion der generellen Stressantwort bei B. licheniformis festgestellt werden. Gene für die Aufnahme und die Synthese kompatibler Solute wurden stark induziert, ebenso wie verschiedene Gene für Transportsysteme mit mehr oder weniger bekannter Funktion. Die Synthese der osmoprotektiven Metabolite Prolin und Glycin-Betain konnte in einer Untersuchung des Metaboloms genauer verifiziert werden. Bei der Reaktion auf oxidativen Stress zeigten sich Unterschiede sowohl zwischen B. licheniformis und B. pumilus, als auch im Vergleich der oxidativen Stressreaktion beider Organismen zu der Reaktion von B. subtilis. In B. licheniformis werden bei oxidativen Stress die Gene des Glyoxylatzyklus induziert. Eine Aktivierung des Glyoxylatzyklus unter oxidativen Bedingungen konnte durch eine Analyse des Metaboloms von B. licheniformis bekräftigt werden. Zusätzlich ist das PerR Regulon in B. licheniformis gegenüber B. subtilis um zwei Gene erweitert. Im Gegensatz dazu fehlen mehrere Gene des PerR Regulons im Genom von B. pumilus, wie z.B. katA (vegetative Katalase) oder ahpCF (Alkylhydroperoxidreduktase). Dafür wurden in B. pumilus Gene induziert, die unter oxidativen Stressbedingungen weder in B. subtilis, noch in B. licheniformis hochreguliert wurden. Darüber hinaus wurden bekannte Regulons, reguliert durch z.B. Spx, CtsR oder SOS in beiden Organismen induziert. Zusammengefasst analysiert diese Dissertation auf Transkriptomebene die Stressantworten von B. licheniformis auf Hitze-, Salz- und oxidativen Stress, sowie zusätzlich die oxidative Stressantwort von B. pumilus. Es konnten verschiedene Stress-spezifische Regulons sowohl in B. licheniformis und auch B. pumilus identifiziert werden, die auch der Stressantwort von B. subtilis entsprechen. Es war jedoch auch möglich, weitere Gene der Stress-spezifischen Antwort beider Organismen zuzuordnen und Unterschiede zwischen den Stressantworten der Organismen zu finden, wie beispielsweise die Abwesenheit von Teilen des PerR Regulons in B. pumilus oder die Aktivierung des Glyoxylat-Wegs in B. licheniformis unter oxidativem Stress.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Rebecca Schroeter
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001681-3
Title Additional (English):Transcriptome analyses of industrially relevant bacteria
Title Additional (German):Transkriptomanalysen industriell relevanter Bakterien
Advisor:Prof. Dr. Thomas Schweder
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2014/01/28
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2013/12/13
Release Date:2014/01/28
GND Keyword:Bacillus, Hitzestress, Microarray, Salzstress, Transkriptom, oxidativer Stress
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie