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Bacillus subtilis has been extensively used as a microbial cell factory for industrial enzymes due to its excellent capacities for protein secretion and large-scale fermentation. This bacterium is also an attractive host for biopharmaceutical production. However, the secretion potential of this organism is not fully utilized yet, mostly due to a limited understanding of critical rearrangements in the membrane proteome upon high-level protein secretion. Recently, it was shown that bottlenecks in heterologous protein secretion can be resolved by genome minimization. Here, we present for the first time absolute membrane protein concentrations of a genome-reduced B. subtilis strain (“midiBacillus”) expressing the immunodominant Staphylococcus aureus antigen A (IsaA). We quantitatively characterize the membrane proteome adaptation of midiBacillus during production stress on the level of molecules per cell for more than 400 membrane proteins, including determination of protein concentrations for ∼61% of the predicted transporters. We demonstrate that ∼30% of proteins with unknown functions display a significant increase in abundance, confirming the crucial role of membrane proteins in vital biological processes. In addition, our results show an increase of proteins dedicated to translational processes in response to IsaA induction. For the first time reported, we provide accumulation rates of a heterologous protein, demonstrating that midiBacillus secretes 2.41 molecules of IsaA per minute. Despite the successful secretion of this protein, it was found that there is still some IsaA accumulation occurring in the cytosol and membrane fraction, leading to a severe secretion stress response, and a clear adjustment of the cell’s array of transporters. This quantitative dataset offers unprecedented insights into bioproduction stress responses in a synthetic microbial cell.
Like eukaryotes, different bacterial species express one or more Ser/Thr kinases and phosphatases that operate in various signaling networks by catalyzing phosphorylation and dephosphorylation of proteins that can immediately regulate biochemical pathways by altering protein function. The human pathogen Streptococcus pneumoniae encodes a single Ser/Thr kinase-phosphatase couple known as StkP-PhpP, which has shown to be crucial in the regulation of cell wall synthesis and cell division. In this study, we applied proteomics to further understand the physiological role of pneumococcal PhpP and StkP with an emphasis on phosphorylation events on Ser and Thr residues. Therefore, the proteome of the non-encapsulated D39 strain (WT), a kinase (ΔstkP), and phosphatase mutant (ΔphpP) were compared in a mass spectrometry based label-free quantification experiment. Results show that a loss of function of PhpP causes an increased abundance of proteins in the phosphate uptake system Pst. Quantitative proteomic data demonstrated an effect of StkP and PhpP on the two-component systems ComDE, LiaRS, CiaRH, and VicRK. To obtain further information on the function, targets and target sites of PhpP and StkP we combined the advantages of phosphopeptide enrichment using titanium dioxide and spectral library based data evaluation for sensitive detection of changes in the phosphoproteome of the wild type and the mutant strains. According to the role of StkP in cell division we identified several proteins involved in cell wall synthesis and cell division that are apparently phosphorylated by StkP. Unlike StkP, the physiological function of the co-expressed PhpP is poorly understood. For the first time we were able to provide a list of previously unknown putative targets of PhpP. Under these new putative targets of PhpP are, among others, five proteins with direct involvement in cell division (DivIVA, GpsB) and peptidoglycan biosynthesis (MltG, MreC, MacP).
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Etablierung von Methoden zur absoluten und relativen Proteinquantifizierung. In darauf aufbauenden Studien sollten diese Methoden für die Untersuchung physiologisch relevanter Fragestellungen in Bakterien genutzt werden. Zum tieferen Verständnis der Bakterienphysiologie ist es unabdingbar, Mengenänderungen von Proteinen hochaufgelöst darstellen zu können. Relative Proteinquantifizierung erlaubt dabei die Untersuchung von Änderungen der Menge eines Proteins zwischen verschiedenen Proben eines Experiments. Im Rahmen der hier vorgelegten Arbeit wurden 2D PAGE und gelfreie massenspektrometrische Methoden in einer Studie (Tefon et al. 2011, Artikel I) angewendet, um Oberflächen- und Immunoproteine zweier Vakzinationsstämme des humanpathogenen Bakteriums Bordetella pertussis zu charakterisieren. Die relative Proteinquantifizierung erlaubt zwar Rückschlüsse auf die Mengenänderung eines Proteins zwischen verschiedenen Bedingungen, ermöglicht aber nur bedingt Aussagen über die absolute Menge der Proteine. Gerade absolute Proteinmengen und damit Proteinkonzentrationen sind jedoch Grundvoraussetzung für ein zielorientiertes Verwenden der gewonnenen Daten nicht nur im Kontext der Systembiologie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, in der durch Kombination zweier etablierter Proteomik-Methoden die absolute Quantifizierung für einen großen Teil der cytosolischen Proteine eines Organismus ermöglicht wird. In dieser Methode werden ausgewählte Proteine, deren genaue Konzentration durch gerichtete Massenspektrometrie bestimmt wurde, für die Kalibration von hoch auflösenden 2D Gelen genutzt (Maass et al. 2011, Artikel II). Um das Potential dieses Verfahrens zu verdeutlichen, wurde es für die Analyse der Anpassung von Bacillus subtilis und Staphylococcus aureus an Glukosehunger angewendet. Dabei konnten für 467 Proteine von B. subtilis in drei Zeitpunkten Proteinkonzentrationen bestimmt werden. Für die Etablierung der Methoden waren verschiedene Vorarbeiten nötig: I) Selektion geeigneter Kalibrationsproteine, II) Selektion geeigneter Standardpeptide und Optimierung der massenspektrometrischen Parameter zu deren absoluten Quantifizierung, III) Selektion eines geeigneten, proteinunspezifischen und hoch sensitiven Gelfarbstoffes, IV) Testung verschiedener Zellaufschlussmethoden und Etablierung einer Methode zur Bestimmung der Zellaufschlusseffizienz, V) Testung verschiedener Proteinbestimmungsmethoden zur genauen Bestimmung der Gesamtproteinkonzentration im komplexen cytosolischen Extrakt und VI) Optimierung der vollständigen enzymatischen Spaltung aller Proteine vor der massenspektrometrischen Analyse. Im Rahmen dieser Arbeit konnte außerdem gezeigt werden, dass sich die Kalibration der 2D Gele für die Ermittlung absoluter Daten zwischen Gelen übertragen lässt, was den Aufwand für große Zeitreihenexperimente deutlich reduziert. Die Genauigkeit und der dynamische Bereich 2D-gelbasierter relativer und absoluter Proteinquantifizierung kann durch eine erhöhte Reproduzierbarkeit, Auflösung und Sensitivität der Gele verbessert werden. Die Etablierung von HPE-Gelen führte zu 25 % mehr detektierbaren und damit quantifizierbaren Proteinspots und Proteinen bei deutlich erhöhter Reproduzierbarkeit (Moche et al. 2013, Artikel III). Die zusätzlich höhere Anzahl von Gelen mit quantifizierbarer Qualität verringert außerdem den Zeit- und Kostenaufwand vor allem für komplexe experimentelle Ansätze. Die neue Methode zur gelbasierten absoluten Proteinquantifizierung wurde in einer Folgestudie angewendet, um die Konzentrationen von mehr als 700 Proteinen von B. subtilis während der physiologisch relevanten Anpassung an verschiedene Stressbedingungen, nämlich Glukosehunger und Hitzestress, zu bestimmen (Maaß et al. 2014, Artikel IV). Der Vergleich der beiden Stressbedingungen ermöglicht eine Unterscheidung der generellen von der spezifischen Stressantwort, wobei die Analyse der Daten durch Berechnung der Proteinkosten und der Ressourcenverteilung auf verschiedene metabolische Pfade und regulatorische Einheiten unterstützt wurde. Da die Nutzung von 2D PAGE zur Proteinquantifizierung auf im Gel detektierbare Proteine beschränkt ist, ist es für eine höhere Proteomabdeckung sinnvoll, gelbasierte Methoden mit gelfreien Methoden zu ergänzen. Deshalb wurde eine Methode zur labelfreien MS-basierten absoluten Quantifizierung von Proteinen im großen Maßstab entwickelt und etabliert. In dieser gel- und labelfreien Quantifizierungstechnik wurde datenunabhängige, parallele Fragmentierung aller zeitgleich eluierenden Vorläufermoleküle (LC-MSE) genutzt. Auch für diese Methode der absoluten Proteinquantifizierung bildeten die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Probenaufbereitungsverfahren die Grundlage (Muntel et al. 2014, Artikel V).