Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

PII-Proteine, zu denen GlnB und GlnK zählen, sind ubiquitär verbreitete kleine Regulatorproteine, die den internen Stickstoffzustand der Zelle sensieren und weiterleiten und hierdurch maßgeblich an der Regulation des Stickstoffmetabolismus beteiligt sind.Ziel dieser Arbeit war es, das GlnK1-Protein aus dem methanogenen Archeaon Methanosarcina mazei Stamm Gö1 umfassend zu charakterisieren und seine potentielle Rolle in der Regulation des Stickstoffmetabolismus aufzuklären. Das M. mazei GlnK1-Protein weist den typischen Tyrosin51-Rest auf, der in Bakterien stickstoffabhängig posttranslationell modifiziert wird. Sowohl in vitro als auch in vivo Experimente haben jedoch gezeigt, dass GlnK1 in M. mazei nicht stickstoffabhängig modifiziert wird. Weitere strukturelle Unterschiede zu bakteriellen PII-Proteinen haben Experimente zur Bildung von Heterotrimeren aufgezeigt. Trotz dieser deutlichen Unterschiede haben Komplementationsversuche ergeben, dass das archaeelle GlnK-Protein in der Lage ist, E. coli GlnK funktionell zu komplementieren. Dieses läßt darauf schließen, dass das GlnK1-Protein in M. mazei auch in der Regulation des Stickstoffmetabolismus involviert ist. Um dieses zu bestätigen, wurde eine chromosomale M. mazei glnK1-Mutante generiert. Hierfür war es erforderlich, zunächst ein funktionelles System zur Transformation von M. mazei Gö1 zu entwickeln. Es gelang, (i) durch Selektion einer potentiellen spontanen Zellwandmutante von M. mazei, die eine stark verbesserte Plattierungseffizienz aufwies, sowie (ii) durch mehrere Modifizierungen des von W. Metcalf (Urbana) entwickelten Liposomen-vermittelten Transformationsprotokolls für Methanosarcina-Stämme M. mazei Gö1 genetisch zugänglich zu machen. Wachstumsanalysen des konstruierten M. mazei glnK1-Mutantenstamms zeigten einen partiell reduzierten Wachstumsphänotyp unter stickstofflimitierenden Bedingungen. Quantitative Reverse Transkriptions-PCR Analysen ausgewählter Gene ergaben allerdings, dass das GlnK1 keinen Einfluss auf die Transkription stickstoffregulierter Gene ausübt.Sowohl biochemische Experimente mit gereinigtem Enzym als auch in vivo Versuche zeigten jedoch, dass das GlnK1-Protein mit der Glutamin-Synthetase (GlnA) interagiert und hierdurch deren Enzymaktivität inhibiert. Ein aktivierender Effekt auf die GlnA Enzymaktivität wurde hingegen bei Anwesenheit von 2-Oxoglutarat beobachtet, welches den internen Stickstoffstatus wiederspiegelt. Aus der Gesamtheit der Ergebnisse läßt sich folgendes hypothetisches Regulationsmodel ableiten: Unter Stickstofflimitierung wird 2-Oxoglutarat akkumuliert, welches die Glutamine-Synthetase Aktivität stark stimuliert; bei einem Übergang zu Stickstoffüberschuss wird die Glutamine-Synthetase sowohl durch einen reduzierten 2-Oxoglutarat-Spiegel als auch durch direkte Protein-Interaktion mit GlnK1 inaktiviert. Letzteres dient der Feinregulation und ermöglicht schnell auf eine veränderte Stickstoffversorgung reagieren zu können.

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Rhodobacter capsulatus is a photosynthetic, purple non-sulfur (PNS) bacterium that produces biohydrogen via photofermentation. Nitrogenase enzyme is responsible for hydrogen production / during fixation of molecular nitrogen into ammonium, hydrogen is produced. Since this process is an energetically expensive process for the cell, hydrogen production is strictly controlled at different levels. When ammonium is present in the environment, hydrogen production completely ceases. The key proteins in the regulation of nitrogenase by ammonium are two PII proteins / GlnB and GlnK. &lsquo / Hyvolution&rsquo / , 6th framework EU project, aims to achieve maximum hydrogen production by combining two hydrogen production processes / dark fermentation and photofermentation. In the first stage of the overall process, biomass is used for hydrogen production in dark fermentation process. Then, the effluent of dark fermentation is further utilized by photosynthetic bacteria to produce more hydrogen. However, the effluent of dark fermentation contains high amount of ammonium, which inhibits photofermentative hydrogen production. In order to achieve maximum hydrogen production, ammonium regulation of nitrogenase enzyme in R.capsulatus has to be released. For this purpose, all PII signal transduction proteins of R.capsulatus (GlnB and GlnK) were targeted to be inactivated by site-directed mutagenesis. The internal parts of glnB and glnK genes were deleted individually without using antibiotic cassette insertion. The successful glnB mutant was obtained at the end of mutagenesis studies. In the case of glnK mutation, the suicide vector was constructed and delivered into the cells. However, glnK mutant could not be obtained. The effect of ammonium on glnB mutant R.capsulatus was investigated and compared with wild type. Biomass of the bacterial cultures, pH of the medium and amount of produced hydrogen were periodically determined. Moreover, the concentrations of acetic, lactic, formic and propionic acids in the medium were periodically measured. Both wild type and glnB mutant grew on acetate and effectively utilized acetate. Ammonium negatively affected hydrogen production of glnB mutant and wild type. The ammonium inhibition of hydrogen production did not release in glnB mutant due to the presence of active GlnK protein in the cell / hence, inactivation of one of PII proteins was not enough to disrupt ammonium regulation of the cell. Moreover, kinetic analysis of bacterial growth and hydrogen production were done. Growth data fitted to the Logistic Model and hydrogen production data fitted to the Modified Gompertz Model.

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