SCyCode

The Autotrophy-Heterotrophy Switch in Cyanobacteria: Regulation of glycogen metabolism in response to nitrogen availability

01.01.2019 bis 31.12.2021

Glykogen ist der hauptsächliche Kohlenstoff-Speicherstoff in Cyanobakterien. Der Stoffwechsel des Glykogens spielt eine zentrale Rolle in der metabolischen Homeostase und ist essentiell für das Überleben von Dunkelperioden sowie für das Überdauern von Nährstoff-Mangelbedingungen wie z.B. Stickstoffmangel. Die Synthese und der Abbau von Glykogen werden durch eine Gruppe paraloger Enzyme katalysiert, deren genauer funktioneller Unterschied bisher nicht bekannt ist. Allerdings deuten die phänotypischen Analysen entsprechender Mutanten auf strikte funktionelle Unterschiede der Isoenzyme hin. Darüber hinaus scheint die Bildung oder der Abbau von Glykogen hauptsächlich auf der Ebene post-translationeller Prozesse gesteuert zu werden. Wenn man das einzellige Cyanobakterium der Gattung Synechocystis sp. PCC 6803 unter Stickstoff-Mangelbedingungen setzt, dann akkumulieren die Zellen, während sie chlorotisch werden, große Mengen an Glykogen, aber zur selben Zeit verstärken die Zellen auch die Expression der Gene für Glykogen-Abbauenzyme. Wenn man nun solche Zellen, denen über längere Zeit kein Stickstoff angeboten wurde, mit Nitrat versetzt, um die Chlorose zu beenden, dann schalten die Zellen sofort den Glykogen-Abbau ein und benutzen eine spezifische Glykogen-Mobilisierungsstrategie während des Regenerationsvorgangs. Im Rahmen der SCyCode Forschergruppe wollen wir in diesem Teilprojekt die stickstoff-abhängige Antwort des Glykogenstoffwechsels als ein gut handhabbares experimentelles System nutzen, um die zellulären Prinzipien zu studieren, die dem Umschalten zwischen glykogen-bildenden und glykogen-abbauenden Stoffwechsel zugrunde liegen. Die verschiedenen experimentellen Ansätze werden dabei in enger Zusammenarbeit mit anderen Projektpartnern der Forschergruppe durchgeführt. Um den Umschalt-Prozess des Stoffwechsels in der Tiefe zu studieren, werden wir zunächst das an den Glykogen-Granula assoziierte Proteom bestimmen. Wir werden Glykogen aus verschiedenen Isoenzym-Mutanten und aus Zellen in verschiedenen physiologischen Zuständen analysieren um Einblicke in funktionelle Unterschiede und in die Dynamik des glykogen-assoziierten Proteoms zu erlangen. Danach zielen wir darauf ab, die Schlüsselschritte der enzymatischen Kontrolle der Glykogenbildung bzw. -abbaus zu identifizieren, wobei wir uns auf die Rolle von Protein-Protein Interaktionen und auf Protein-Phosphorylierung fokussieren werden. Schließlich werden wir die Frage adressieren, ob die Metabolite des Glykogenabbaus durch räumlich organisierte Protein-Komplexe geschleust werden (metabolic channeling) wozu wir metabolische Flux-Analysen sowie die Methode des Protein Correlation Profiling und moderne zellbiologische Methoden einsetzen wollen.