Aufgrund der vielfältigen metabolischen Prozesse und Funktionen von Mitochondrien finden durch beide mitochondriale Membranen zahlreiche Transportprozesse statt. Es wird weitgehend angenommen, dass der Transfer von metabolischen Intermediaten durch die äußere Membran von den zahlreichen Porinporen gewährleistet wird. Im Gegensatz dazu sind in der inneren Membran spezifische Transportproteine für die Translokationsprozesse verantwortlich. Neben dem gut untersuchten Porinmolekül (Por1p) gibt es in der Hefe S. cerevisiae unter respiratorischen Bedingungen zwei weitere abundante, aber funktionell unbekannte Proteine in der äußeren Membran von Mitochondrien - Om14p und Om45p -, deren molekular-biologische Charakterisierung Gegenstand dieser Arbeit war. Mit drei unabhängigen Methoden (2D BN - SDS-PAGE, Co-IP und TAP) konnte gezeigt werden, dass die beiden Proteine Om14p und Om45p zusammen mit Por1p einen Proteinkomplex in der äußeren Membran ausbilden, wobei Por1p eine von Om14p und Om45p unabhängige Porenstruktur ausbildet. Bei Bedarf, möglicherweise über Phosphorylierungen signalisiert, binden Om14p und Om45p an diese Struktur, wobei Om45p dabei der direkten Interaktion von Om14p mit Por1p bedarf. Die Identifikation von Interaktionspartnern des Fusionsproteins Om14p-TAP durch Einsatz einer präparativen TAP mit anschließender massenspektrometrischer Analyse sowie die Untersuchungen der Effekte von OM14- und/oder OM45- Gendeletionen auf das mitochondriale Proteom mit einem 2D DIGE-Verfahren führten zur Aufstellung von funktionalen Zusammenhängen des Proteinpaares Om14p/Om45p. Mit Wachstumsuntersuchungen von Deletionsmutanten in Gegenwart von in den Mitochondrien toxisch wirkenden Substanzen sowie durch ein in dieser Arbeit entwickeltes Testverfahren zur Bestimmung des mitochondrialen ATP-Flusses, konnten die funktionalen Hypothesen für die Proteine Om14p und Om45p initial verifiziert werden. Zusammengefasst unterstützen die Daten dieser Arbeit die Idee von einem hochgradig flexiblen System der Mitochondrien, zur Gewährleistung von effizienten Transportvorgängen durch beide Membranen. Eine koordinierte Bindung der Porinpore an die spezifischen Transporter der inneren Membran wird wahrscheinlich durch die Aktivität des Proteinpaares Om14p/Om45p vermittelt. In diesem Zusammenhang könnten beide Proteine als eine Art Lizenzierungsfaktor fungieren und die Positionierung der Porinpore an die entsprechenden Proteine der inneren Membran erzeugen. Dadurch würde ein effektives System für den Austausch von metabolischen Intermediaten und Substraten der mitochondrialen Atmungskette entstehen. Ebenfalls durch diese Arbeit nicht auszuschließen ist die Vorstellung, dass die Proteine Om14p und Om45p einen Einfluss auf die spezifischen Transportproteine der inneren Membran oder die Porinpore der äußeren Membran ausüben. Phosphatrest-Übertragungen, die zu Konformationsänderungen oder Porenöffnungen führen könnten, sind beispielsweise vorstellbar. Die Stoffwechseladaption einer Zelle bei einem diauxic shift ist durch einen verstärkten mitochondrialen Import von Metaboliten, Co-Faktoren und Proteinen sowie häufigerer mitochondrialer Teilungsprozesse charakterisiert. Om14p und Om45p sind bei einem Wechsel zu nicht-fermentativen Bedingungen verstärkt präsent. Diese beiden Proteine könnten der Hefe einen entscheidenden Vorteil bei der Synchronisierung der genannten Prozesse liefern, indem sie eine verbesserte Erreichbarkeit bzw. eine Veränderung der Selektivität von bereitgestellten Kanälen bzw. Transportproteinen in beiden mitochondrialen Membranen bewirken.

Hintergrund: Die Synthese von Chemikalien aus fossilen Rohstoffen wird wegen ihrer begrenzten Verfügbarkeit und ihren negativen Auswirkungen auf die Umwelt zunehmend kritisch bewertet. Eine Alternative bietet die „Weiße Biotechnologie“, insbesondere die Fermentation nachwachsender Rohstoffe mithilfe von Hefen. Die oleophilen Hefen Pseudozyma (P.) tsukubaensis und Yarrowia (Y.) lipolytica sind natürliche Säureproduzenten. Ihre Hauptprodukte sind Metabolite des Tricarbonsäurezyklus: Citrat (CA), α-Ketoglutarat und Malat. In kleineren Mengen werden auch andere Stoffe wie Isocitrat (ICA) oder Itaconat (ITA, nur von P. tsukubaensis) sekretiert. Das Interesse an den beiden Letztgenannten hat in den vergangenen Jahrzehnten stetig zugenommen. Bis heute gibt es allerdings keinen etablierten Wirtsorganismus für die ICA-Produktion. ITA hingegen wird mithilfe von Aspergillus terreus synthetisiert. Jedoch stößt die ITA-Produktivität dieses Hyphenpilzes auch mit großem wissenschaftlichem Aufwand an ihre Grenzen. Daher wird ein neuer Wirtsorganismus benötigt. Ergebnisse: In dieser Studie wurden ein vielversprechender P. tsukubaensis-Stamm für die Produktion von ITA und ein Y. lipolytica-Stamm für ICA konstruiert. Zunächst wurde das Genom von P. tsukubaensis sequenziert. Infolgedessen wurde ein Gencluster für die Synthese und den Export von ITA identifiziert, das homolog zu dem von Ustilago maydis ist. Die Überexpression von vier der fünf Clustergene erhöhte die ITA-Sekretion nicht deutlich. Das fünfte Gen kodiert den vermeintlichen Transkriptionsfaktor Ria1p, der vermutlich das Gencluster steuert. Die Überexpression des PtRIA1 Gens führte zu einer signifikant erhöhten ITA-Produktion von bis zu 31,4 g/l in Mikrotiterplatten. Durch die Optimierung der Wachstumsbedingungen wurden im Bioreaktor innerhalb von 7 d 113,6 g/l ITA ohne die Notwendigkeit eines Triggers produziert. Für die ICA-Produktion wurden zwei mutmaßliche mitochondriale Citrat-Transportproteine in Y. lipolytica identifiziert, welche von den Genen YlCTP1 sowie YlYHM2 kodiert werden. Die Funktionsweise der beiden Proteine scheint sich stark voneinander zu unterscheiden. Die Deletion von YlCTP1 führte zu einer leichten Verschiebung des ICA:CA-Verhältnisses, aber die Gesamtmenge beider Säuren nahm stark ab. Durch die Deletion von YlYHM2 stieg die ICA:CA-Produktrate von 12 % auf 95 % im Vergleich zum Wildtyp. Innerhalb von 5 d wurden bis zu 131,9 g/l ICA mit Sonnenblumenöl, bzw. 22,0 g/l ICA mit Glukose als einzige Kohlenstoffquelle in einem Bioreaktor unter kontrollierten Produktionsbedingungen erreicht. Durch die zusätzliche Hemmung des Isocitratlyase-Proteins mit ITA stieg das ICA:CA-Verhältnis bis 98 %. Fazit: Mittels Metabolic Engineering wurden im Rahmen dieser Arbeit die beiden Hefestämme P. tsukubaensis HR12 und Y. lipolytica ΔYHM2 erzeugt. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, die hochwertigen Chemikalien ITA oder ICA in hohen Mengen (> 100 g/l) aus nachwachsenden Rohstoffen wie Glukose oder sogar Pflanzenölen herzustellen. / Background: The synthesis of chemicals from fossil fuels is being evaluated increasingly critically, mainly due to its expected exhaustion and negative impact on the environment. An alternative offers ‘white biotechnology’, especially the fermentation of renewable resources with the help of yeasts. The oleophilic yeast species Pseudozyma (P.) tsukubaensis and Yarrowia (Y.) lipolytica are both natural organic acid producers. Their main products are metabolites of the tricarboxylic acid cycle, namely citrate, α-ketoglutarate and malate. In smaller amounts, other compounds like isocitrate (ICA) or itaconate (ITA, solely with P. tsukubaensis) are also secreted. The interest for the latter two has been rising steadily during the last decades. However, to this date, there is no established host organism for the ICA production. ITA, on the other hand, is being synthesised with Aspergillus terreus. Even with great scientific effort, the ITA productivity of this hyphal fungus appears to reach its limits. Therefore, a different host organism is needed. Results: In this study, a promising P. tsukubaensis strain has been constructed for the production of ITA and a Y. lipolytica strain for ICA. First, the genome of the ITA producer P. tsukubaensis has been sequenced. As a result, a gene cluster for the synthesis and export of ITA, homologous to that of Ustilago maydis, has been identified. By overexpressing four of the five cluster genes, respectively, none to low increases in ITA secretion were observed. The fifth gene is encoding the putative transcription factor Ria1p which probably controls the gene cluster. The overexpression of the gene PtRIA1 led to a significantly increased ITA production of up to 31.4 g/l in micro-wells. By optimizing the growth conditions 113.6 g/l ITA could be produced within 7 d under controlled conditions in a bioreactor without the need of a trigger like phosphate limitation. For the production of ICA, two putative mitochondrial citric acid transporter proteins were identified in Y. lipolytica. One carrier protein is encoded by the novel gene YlYHM2, the other one by YlCTP1. The mode of function for the two deduced proteins appears to be very distinct from one another. The deletion of YlCTP1 led to a minor shift in the ICA:CA ratio but the total amount of acids decreased greatly. By deleting YlYHM2, the ICA:CA product ratio could be increased from 12 % to 95 % compared to the wild type strain. Within 5 d up to 131.9 g/l ICA with sunflower oil and 22.0 g/l with glucose as the sole carbon source could be achieved under controlled production conditions in a bioreactor. Further inhibition of the isocitrate lyase protein with ITA increased the ICA:CA ratio to 98 %. Conclusion: Within this work, the two yeast strains P. tsukubaensis (HR12) and Y. lipolytica (ΔYHM2) have been created via metabolic engineering. With their help, it is possible to produce the value-added chemicals ITA or ICA on a high scale (> 100 g/l) from renewable resources like glucose or even vegetable oils.

Die toxische Wirkung von Kationen ist verantwortlich für eine Reihe biologischer und pathologischer Erscheinungen. Zu den übergreifenden Zielen des Gesamtvorhabens wurden als wissenschaftliche Arbeiten i) die Analyse, graphische Darstellung und darauf basierende Gewichtung spezifischer genomischer Promotor-Regionen, ii) die Verarbeitung, Auswertung und genomweite Analyse von Mikro-Array Experimenten über die Auswirkung verschiedener Schwermetalle auf S. cerevisiae, iii) Mitarbeit an einer Simulations-Umgebung mit Modulen zur Digitalisierung, Präsentation, Analyse und mathematischer Modellierung der räumlichen Verteilung biologisch relevanter Moleküle sowie iv) ein Ansatz zur Modellierung der Kationen-Homöostase unter Verwendung der Theorie der Nichtgleichgewichts Thermodynamik beigetragen. Im Vordergrund der bioinformatorischen Arbeiten stand dabei der iterative Prozess, in dem verfügbare experimentelle Ergebnisse in aussagefähige Modelle oder Anwendungen übertragen wurden und die Resultate der Modellierung oder Vorhersage wiederum in neue entsprechende Experimente umgesetzt wurden. Die Anwendungsumgebung zur Promotoranalyse sowie die Simulationsumgebung zur räumlichen Verteilung biologisch relevanter Moleküle wie zum Beispiel markierte Signalmoleküle wurde bereits veröffentlicht und erfolgreich eingesetzt. Die Ergebnisse der genomweiten Analyse liefern Erkenntnisse über die individuellen Mechanismen und Strategien der Hefe auf verschiedene Metallionen in toxischer Konzentration zu reagieren. Der theoretische biophysikalisch-thermodynamische Ansatz liefert ein fundamentales Modell der Kationen-Homöostase der zahlenmäßig bedeutendsten Kationen: Kalium, Natrium und Protonen. Das Modell wurde an experimentellen Daten getest und konnte diese reproduzieren. Entsprechende Perspektiven für die Weiterentwicklung des Modells werden diskutiert. / Cationic toxicity is relevant for a number of qualitatively different biological and medical phenomena such as cationic surfactants, salt and heavy metal stress in plants and a number of pathological conditions which share similar critical metabolic processes (i.e. protein aggregation and oxidative stress). In line with the overall project goals the scientific work contributed to i) the analysis, graphical presentation and the respective assessment of specific genomic promoter-regions, ii) the conversion, evaluation and genome wide analysis of micro-array experiments on the effects of exposition of S. cerevisiae to heavy metals, iii) a simulation environment comprising modules for digitalization, presentation, analysis and mathematical modeling of the spatio-temporal distribution of biologically relevant molecules, and iv) a cation homeostasis modeling approach based on the non-linear thermodynamics theory. The bioinformatical work focused on an iterative process in which available experimental results were transferred into meaningful models or applications and results of modeling or prediction into corresponding new experimental designs. The software for the promoter-analysis and the simulation environment for integration of spatio-temporal distribution of biologically relevant molecules like labeled signal molecules have already been published and successfully implemented.The results of the genome-wide analysis - based on experiments of a project partner - provide insights in the individual mechanisms and strategies of the yeast cell upon exposition to various (heavy) metals in toxic concentrations. The theoretical biophysical-thermodynamic approach provides a fundamental model of cation homeostasis in S.cerevisiae of the major cations: potassium, sodium and protons. The model - confronted with experimental data - is capable to reproduce the observed uptake rates to a reasonable degree. Perspectives for further development of the model are discussed.

Mathematische Modellierung ist ein wichtiges Werkzeug biologischer Forschung geworden, was sich in der Entstehung von Systembiologie widerspiegelt. Eine erfolgreiche Anwendung mathematischer Methoden auf biologische Fragen erfordert die Zusammenarbeit zwischen experimentell und theoretisch arbeitenden Wissenschaftlern, auch um sicherzustellen, dass die Biologie im Modell adäquat dargestellt wird. Ich präsentiere hier zwei Untersuchungen zur Anpassung von Saccharomyces cere- visae an hyperosmotische Bedingungen: Eine biologisch detailgetreue Beschreibung der Signaltransduktion zur Aktivierung von Hog1 und ein Model, das Anpassung an osmotischen Stress in zellulärem Zusammenhang beschreibt. Die Studie zur Osmoadaptation in zellulären Kontext impliziert, dass Hog1 und Fps1, zwei wichtige Bausteine dieses Adaptationsvorgangs, miteinander in Wechselwirkung treten und dies zur Anpassung beiträgt. Dieses Ergebnis wird durch die Integration verschiedener Hefestämme mit zum Teil gegensätzlich wirkenden Mutationen ermöglicht. Diese Studie offenbart des weiteren, dass die Rolle von Glycerol in der langfristigen Anpassung bisher überschätzt wurde. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass Glycerol als ’Not’-Osmolyt eingesetzt wird und andere Stoffe, z.B. Trehalose, erheblich zu dauerhafter Osmoadaptation beitragen. Durch die Betrachtung des Zustands mehrerer zellulärer Mechansimen wird deutlich, dass Osmoadaptation stark vom Kontext abhängig ist und nicht perfekt ist. Der Preis schlägt sich in langsamerem Wachstum nieder. Zeitabhängige Sensitivitätsanalyse des Modells untermauert diese Hypothese. Die gewählte Perspektive ermöglicht die Betrachtung von intrazellulären Signaltransduktionskomponenten, Metaboliten und des Wachstums. Der Vergleich mit einer Studie, die Anpassung an osmotischen Stress als perfekte Adaptation auf Grund eines vereinfachten Modells beschreibt, hebt die Rolle der gewählten Perspektive zum Verständnis biologischer Systeme hervor. / Mathematical modeling has become an important tool in biology, reflected in the emergence of systems biology. Successful application of mathematical methods to biological questions requires collaboration of experimental and theoretical scientists to identify and study the problem at hand and to ensure that biology and model match. In this thesis, I present two studies on adaptation to hyperosmotic conditions in the yeast Saccharomyces cerevisae: A biologically faithful description of the signaling pathways activating Hog1 and a model integrating the effects of Hog1-activity and cellular metabolism, describing osmoadaptation in cellular context. The study of osmoadaptation in cellular context suggests that Hog1 and Fps1, two crucial components of adaptation, interact upon hyperosmotic stress. This finding is facilitated by incorporating multiple strains with mutations leading to partly oppositional phenotypes. This study further reveals that the role of glycerol in long term adaptation has been overestimated so far. According to the results presented here, glycerol is utilized as an ’emergency’ osmoprotectant and other compounds, e.g. trehalose, contribute significantly to osmoadaptation. Accounting for the state of multiple cellular mechanisms (Hog1-activity, glycolysis, growth) shows that adaptation to hyperosmotic stress and the impact of the individual mechanisms of adaptation is context dependent and that adaptation to sustained osmostress is not perfect, the expense reflected in a reduced growth rate in hyperosmotic medium. Time-dependent sensitivity analysis supports the notion of context. The perspective chosen allows observations on intracellular signaling components, metabolites and growth speed. Comparison with a study that describes osmoadaptation as perfect adaptation highlights the role of this perspective for the conclusions drawn, thus emphasizing the importance of an integrative perspective for understanding biological systems.

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