Cyanobakterien sind einzellige, phototrophe Mikroorganismen, die aufgrund ihrer Fähigkeit, Sonnenenergie und Kohlenstoffdioxid für das Zellwachstum zu nutzen, ideale Modellorganismen für ein besseres Verständnis des phototrophen Stoffwechsels darstellen. Sie werden auch zunehmend als potenzieller Wirtsorganismus für die Synthese von wertvollen Chemikalien und verschiedenen Biokraftstoffen wahrgenommen. Um diese Vorteile in vollem Umfang zu nutzen, bietet die genomskalige Rekonstruktion von Mikroorganismen ein weitgehendes Verständnis über die metabolischen Umwandlungen, die während des phototrophen Wachstums stattfinden. In dieser Arbeit wurden detaillierte Rekonstruktionen des metabolischen Netzwerkes der Cyanobakterien Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis) und Synechococcus elongatus PCC 7942 erstellt und analysiert. Darüber hinaus wurden beim Netzwerk von Synechocystis unklare Reaktionsschritte experimentell validiert und die funktionellen Konsequenzen von abweichenden Stoffwechseltopologien untersucht. Dabei umfasst das Modell neuartige Ergebnisse in Bezug auf den cyanobakteriellen TCA-Zyklus, einen angeblich vorhandenen Glyoxylatzyklus und die Rolle der Photorespiration beim Zellwachstum, die mithilfe der Flussbilanzanalyse (FBA) systematisch auch in Bezug auf den täglichen Hell-Dunkel-Zyklus des cyanobakteriellen Stoffwechsels gewonnen wurden. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit liegt im Zugewinn des allgemeinen Verständnisses über die genomische Diversität innerhalb unterschiedlicher Cyanobakterienstämme und speziell innerhalb des cyanobakteriellen Stoffwechsels. Dazu wurden die Genome mehrerer phototropher Cyanobaktierenstämme untereinander verglichen und besonders Unterschiede und Gemeinsamkeiten auf Ebene des Stoffwechsels hervorgehoben. Zum Abschluss dieser Arbeit wurde unter Zuhilfenahme der FBA die Synthese von neun unterschiedlichen Biokraftstoffen im metabolischen Netzwerk von Synechocystis, analysiert. / Cyanobacteria are unicellular, phototrophic microorganisms. Owing to their capability to utilize solar energy and atmospheric carbon dioxide for growth, they represent ideal model organisms to better understand phototrophic metabolism. Moreover they are gaining increasing attention as a potential host organism for the synthesis of valuable chemicals and various biofuels. To fully harness this potential of cyanobacteria necessitates an in-depth understanding of the metabolic interconversions that take place during phototrophic growth, such as that provided by genome-scale reconstructions of microbial organisms. In this work, detailed metabolic network of two cyanobacteria, Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis) and Synechococcus elongatus PCC 7942, were reconstructed and analyzed. In addition uncertain reaction steps in the network of Synechocystis were experimentally validated and the functional consequences of aberrant metabolic topologies were examined. The model integrates novel results regarding the cyanobacterial TCA cycle, an alleged glyoxylate shunt, and the role of photorespiration in cellular growth, which were systematically obtained studying the diurnal light/dark cycles of cyanobacterial metabolism using flux balance analysis (FBA). Another aspect of this work focuses on gaining general understanding of the genomic diversity within different cyanobacterial species and specifically within cyanobacterial metabolism. For this purpose, the genomes of several phototrophic cyanobacterial strains were compared and in particular differences and similarities at the level of metabolism were highlighted. In conclusion I reflected on the biotechnological relevance of metabolic network reconstruction by analyzing the synthesis of nine different biofuels in the metabolic network of Synechocystis using FBA.

Das Anliegen dieser Arbeit besteht darin, die Kinetik von elektronischen Singulett- und Triplett-Anregungen innerhalb des solubilisierten Lichtsammelkomplexes des Photosystem II (LHCII) zu untersuchen. Die Untersuchungen gliedern sich in drei Teilkomplexe: Klärung der Frage, in welchem Maße die gegenseitige Wechselwirkung zwischen angeregten Singulett-Zuständen (Singuletts)zu deren Vernichtung führt. Um dies zu analysieren, wurden Messungen zur nichtlinearen Fluoreszenz von LHCII in einem großen Bereich der Anregungsimpuls-Intensität durchgeführt. Dazu war es notwendig, eine Methode zu entwickeln, die es erlaubt, die von der Probe ausgesandte Fluoreszenz räumlich zu selektieren. Die so gemessene Fluoreszenzausbeute von solubilisiertem LHCII verringert sich um bis zu 4 Größenordnungen bei maximaler Intensität und entspricht einem sättigenden Verhalten der Fluoreszenz. Aus diesen Untersuchungen ergibt sich, daß der Transfer der Anregungsenergie innerhalb eines gesamten solubilisierten LHCII-Trimers extrem schnell vonstatten geht. Untersuchung zur Kinetik der Karotinoid-Triplett-Bildung im LHCII. Dazu wurde ein Meßaufbau für Pump-Test-Messungen der nichtlinearen Transmission mit optischer Zeitverzögerung zwischen Pump- und Test-Impuls realisiert. Besonderes Augenmerk wurde auf die Vermeidung von Meß-Artefakten gelegt. Die zeitliche Änderung der Absorption bei 507 nm spiegelt die Kinetik der Karotinoid-Triplett-Bildung in solubilisiertem LHCII wider. Bei der Modellierung der gemessenen Daten wurde die Rate für den Triplett-Transfer von 3Chl nach Car variiert. Die beste Anpassung ergibt den Grenzfall . Als untere Grenze kann im Rahmen der Meßgenauigkeit ein Wert von (0.5 ns)-1 angegeben werden. Dieser Wert ist mehr als eine Größenordnung größer, als der noch vor kurzer Zeit akzeptierte Wert von Kramer und Mathis (1980). Dieses Ergebnis zeigt, daß die Wechselwirkung zwischen Chlorophyllen und Karotinoiden in LHCII wesentlich stärker ist, als bisher angenommen wurde. Untersuchung der Wechselwirkung von Singuletts mit langlebigen Tripletts anhand der Fluoreszenz, die durch einen elektronisch verzögerten Test-Laser-Impuls hervorgerufen wird. Diese "Test-Fluoreszenz" nimmt mit Erhöhung der Pump-Intensität drastisch ab und erreicht bei hohen Pump-Intensitäten wenige Prozent des Ausgangswertes. Das Zurückkehren zum Ausgangswert wurde als Funktion der Verzögerungszeit bei verschiedenen Pump-Intensitäten gemessen. Mit Hilfe der Stern-Volmer Gleichung lassen sich daraus die quenchenden Populationen berechnen. Dies ergibt, daß das Quenching bei vergleichsweise geringen Pump-Intensitäten eindeutig den Karotinoid-Tripletts zugeordnet werden kann. Bei hohen Pump-Impuls-Intensitäten wurde eine zusätzliche, extrem stark quenchende Spezies identifiziert, bei der es sich möglicherweise um Chlorophyll-Tripletts oder -Ionen handelt. / In this study the kinetics of electronically excited singlet and triplet states within solubilized light harvesting complexes of photosystem II (LHCII) is investigated. It is subdivided into three parts: The mutual interaction between excited singlet states and their annihilation was analyzed. For that purpose nonlinear fluorescence measurements were performed in a huge range of excitation pulse intensity. A method was developed that allows a spatial selection of the fluorescence. The fluorescence yield determined in this way shows a drastic decrease of up to 4 orders of magnitude at the highest intensity used and corresponds to a saturation like behavior of the fluorescence. As a result of the theoretical investigation of this result, the excitation energy transfer within the overall LHCII-trimer is extremely fast. The kinetics of carotenoid triplet formation in LHCII was analyzed by pump-probe measurements of nonlinear transmission using an optically generated delay between pump- and probe-pulses. Special care was taken to prevent artifacts in this kind of measurement. The temporal change of the absorbance at 507 nm reflects the kinetic of carotenoid triplet formation in solubilized LHCII. The fit of the experimental data by a kinetic model provides that the rate for the triplet transfer from 3Chl to Car is (0.5 ns)-1. This value is more than one order of magnitude higher than the results obtained so far (Kramer and Mathis, 1980). This shows that the interaction between chlorophylls and carotenoids is much higher than previously assumed. The interaction between singlets and (long living) triplets was investigated by measurements of the fluorescence originating from a delayed probe pulse in the presence of a pump pulse. This "probe-fluorescence" decreases drastically with increasing pump pulse intensity up to a level of a few percent at the highest intensity. The recovery to the initial value (pump pulse off) was studied as a function of the electronically generated time delay and at different pump intensities. The population of quenching species was calculated by means of the Stern-Volmer Equation. As a result of this analysis the quenching at low pump intensities can clearly be attributed to carotenoid triplets. At high pump pulse intensities an extremely strong quenching species is formed which can be probably identified by chlorophyll-triplets or -ions.

Durch die Freisetzung allelopathisch aktiver Substanzen können Makrophyten das Wachstum von Phytoplankton beeinflussen und damit den Klarwasserzustand von Flachseen stabilisieren. Umweltfaktoren beeinflussen allelopathische Effekte und wurden untersucht, um die Bedeutung allelopathischer Effekte im Ökosystem einzuschätzen. Der Gehalt allelopathisch aktiver polyphenolischer Substanzen zeigte Schwankungen bis zu einer Größenordung im Apikalmeristem von Myriophyllum verticillatum L innerhalb von vier Jahren 2004-2007, die nur teilweise durch den Nährstoffgehalt in der Pflanze erklärt wurden. Der Gehalt an Polyphenolen in der Trockenmasse der Pflanze korrelierte mit der Wachstumshemmung von Anabaena variabilis im Biotest und zeigte Maxima im Mai bis Juli wenn Konkurrenz mit dem Phytoplankton um Licht beim Wachstum zur Wasseroberfläche besteht. Mittels HPLC und MS gelang die Identifizierung von Hexahydroxydiphenoyl di- und -tri-galloylglucose Isomeren in den hauptaktiven Fraktionen des Pflanzenextraktes. Abiotische und biotische Einflüsse der Umwelt auf die Allelochemikalie z.B. photolytische und mikrobielle Umwandlungsprozesse führten bei der Modellsubstanz Tanninsäure (TA), die in Struktur und Funktion den gefundenen Allelochemikalien ähnelt, zur Bildung von refraktären hochmolekularen Verbindungen mit anhaltender allelopathischer Wirkung, die mittels LC-OCD den Huminstoffe zugeordnet wurden. Temperatur als weiterer Umweltfaktor beeinflusste artspezifisch die Reaktion der untersuchten Algen auf TA. Dabei waren die Art und das Ausmaß der Reaktion von der Anwesenheit von Bakterien abhängig. Bakterien der Gattung Pseudomonas wurden isoliert, die in der Lage waren, TA abzubauen und deren allelopathische Effekte zu mindern. Es konnten gezeigt werden, dassl Umwelteinflüsse auf die Allelochemikalie, mutualistische Phytoplankton-Bakterien Interaktionen und die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft allelopathische Effekte qualitativ als auch quantitativ beeinflussten. / Dissolved organic compounds released by macrophytes can have allelopathic effects on phytoplankton and thereby contribute to stabilize the clear water state of shallow lakes. Identifying factors influencing allelopathy enables evaluating allelopathic effects in the ecosystem.One factor is the temporal dynamic of allelopathically active substances and was investigated as total phenolic compounds(TPC). TPC ranged by an order of magnitude in apicals of Myriophyllum verticillatum L. during four years (2004-2007). Nutrient content partly explained TPC dynamic. The highest amounts of TPC in plant tissue corresponded to maximal growth inhibition of Anabaena variabilis in biotest from May to July when macrophytes compete with algae for light to grow to the water surface. Isomers of Hexahydroxydiphenoyl -di- and -trigalloylglucose identified by HPLC and LC-MS were found in the most allelopathically active fractions in the biotest. By the use of analytical and molecularbiological methods photolytic transformation and degradation by bacteria, changes in mutualistic interaction of bacteria and phytoplankton and shifts in bacterial community composition were identified as factors influencing the allelochemical and the phytoplankton response to TA quantitatively and qualitatively. Photolytic and microbial transformation formed long lasting allelopathically active degradation products of an allelopathic test substance, tannic acid (TA). Temperature was shown to influence the phytoplankton response to TA species specifically varying with presence or absence of bacteria. Bacteria community composition mediated phytoplankton response and specific bacteria as Pseudomonas sp.were able to degrade allelochemicals as TA and thereby lowered the allelopathic effect. Thus, allelopathic effects can be influenced by abiotic and biotic factors acting on the allelochemical, the target organisms and on mutualistic interaction between target organisms altering the outcome of allelopathic effects.

Sowohl in Süßwasserseen als auch in marinen Gewässern kommt es immer wieder zu Massenentwicklungen von Cyanobakterien, sogenannten “Blüten”. In Seen werden diese oftmals von Cyanobakterien der Gattung Microcystis dominiert, deren Arten häufig Toxine bilden. Die verbreitesten dieser Toxine sind die leberschädigen Microcystine, die eine Klasse nichtribosomal synthetisierter Peptide darstellen. Nachdem die toxische Wirkung der Microcystine bisher als deren Hauptfunktion angesehen wurde, deuten neuere Forschungsergebnisse darauf hin, dass Microcystine eine andere Primärfunktion für die Produzenten besitzen. Im Rahmen dieser Studie wurde Microvirin (Mvn), ein putatives Lektin aus Microcystis aeruginosa PCC 7806, von dem angnommen wurde, dass es funktional mit Microcystin assoziiert ist, charakterisiert. Zunächst konnte gezeigt werden, dass Mvn tatsächlich zuckerbindende Aktivität besitzt und spezifisch Mannan, ein Oligosaccharid aus Mannoseuntereinheiten, erkennt. Bindestudien zeigten, dass Zucker dieses Typs auf der Zelloberfläche von M. aeruginosa PCC 7806 lokalisiert sind und eine Bindestelle für das sekretierte Mvn darstellen. Mit Hilfe fluoreszenzmikroskopiebasierender Methoden wurde gezeigt, dass sowohl Mvn als auch das korrespondierende Mannanoligosaccharid stammspezifisch sind. Weiterhin konnte durch PCR gezeigt werden, dass das mvn-Gen in allen getesteten Microcystis-Stämmen vorkommt, die auch Gene für die Microcystinbiosynthese besitzen. Eine direkte Interaktion von Microcystin und Mvn konnte in vitro bestätigt werden. Microcystin bindet dabei über seinen N-Methyl-Dehydroalaninrest kovalent an die reduzierten Cysteinreste des Proteins. Ein Einfluss auf die Oligomerisierung des Proteins wurde festgestellt. Microcystin bindet an Cysteinreste von Proteinen, und es konnte gezeigt werden, dass dies besonders unter oxidativen Stressbedingungen geschieht. Die Daten liefern somit weitere Indizien für eine Rolle von Microcystin in der Stressadaptation. / Cyanobacteria frequently appear as so-called “water-blooms” during summer months. Cyanobacteria of the genus Microcystis, whose species often dominate freshwater lakes, produce toxins that represent a potential threat for humans and animals. The most prominent toxins are the non-ribosomally synthesised hepatotoxic microcystins. Toxicity has been considered the main function of these peptides, but recent studies propose different primary functions of microcystins for their producers. The involvement of microcystins in the response to oxidative stress was proposed recently. Within this study the putative lectin microvirin (Mvn), which was suggested to be functionally related to microcystin, was characterised. Initially it was shown that Mvn does indeed possess a carbohydrate binding activity, and specificity for mannan, an oligosaccharide made of mannose subunits, was proven. Binding studies using fluorescence-labelled Mvn and antibodies identified carbohydrates of this type at the cell surface of M. aeruginosa being a binding site for the secreted Mvn. Fluorescence microscopy techniques were employed to show that Mvn as well as the corresponding mannan oligosaccharide are strain-specific. Additionally it was shown by PCR that the mvn gene is present in all tested Microcystis strains possessing microcystin biosynthesis genes. A direct interaction of microcystin and Mvn was confirmed in vitro. Microcystin covalently binds to the reduced cysteine residues of the protein via its N-methyl-dehydroalanine moiety. An impact on the oligomerisation state of Mvn was observed. Microcystin seems to bind cysteine residues in an unspecific manner in vivo, and it was shown that this occurs especially under conditions of oxidative stress such as iron depletion and exposition to high light. Hence, the data provide further evidence for an involvement of microcystins in stress adaptation.

Eisenmangel ist ein weltweites Ernährungsproblem für Pflanzen und allen von Ihnen abhängigen Sekundärkonsumenten. Er reduziert den Ertrag, die Qualität und Produktivität von z.B. Kulturpflanzen, was wiederum zu Mangelerscheinungen beim Menschen führen kann. Die Nahrungsmittelforschung hat ein großes ökonomisches und wirtschaftliches Interesse daran, die Eisenverfügbarkeit und -Aufnahme der Pflanzen zu erhöhen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine kleine Familie von fünf (VTL1-5) neuen potentiellen Eisentransportern in Arabidopsis thaliana identifiziert und charakterisiert und somit ein weiterer Baustein zu der Aufklärung der Eisenhomöostase hinzugefügt. Bei den fünf Transportern handelt es sich um CCC1-like Proteine, von denen vier (VTL1-3 und 5) eine eisenabhängig regulierte Expression zeigen. Für VTL1 kann mittels Protein-tag Markierung sehr überzeugend eine Lokalisation in der Vakuolenmembran und ein damit verbundener Eisentransport in die Vakuole, analog zur Funktion von VIT1, gezeigt werden. Da vermutlich ein knockout von VTL1 zur Embryo Lethalität führt und auch die vit1-1 Mutante einen sehr verkümmerten Phänotyp unter Eisenmangel zeigt, scheinen beide Proteine getrennt voneinander an verschiedenen Schlüsselpositionen im Eisenhaushalt zu wirken. Auch für VTL2 und VTL5 kann eine Lokalisation an der Vakuolenmembran und der damit verbundene Eisenimport postuliert werden. Die heterologe Expression aller drei Gene in ∆ccc1 Zellen führt zur Erhöhung der vakuolären Eisenkonzentration. Für VTL4 wird mittels Protein-tag Markierung eine Lokalisation an der Plasmamembran mit einer Exportfunktion vorgeschlagen. VTL3 und VTL4 heterolog exprimierende ∆ccc1 Hefe-Zellen weisen einen geringeren Eisengehalt als Kontrollzellen auf. Alle fünf Proteine sind in der Lage sowohl den Mutanten-Phänotyp der ∆ccc1 Hefe-Mutante, wie auch der Arabidopsis vit1-1 und nramp3/nramp4 Doppelmutante zu komplementieren. Anhand dieser Tatsachen konnte die Eisentransportfähigkeit bewiesen werden. / Iron deficiency is a worldwide nutritional problem for plants and in general all heterotrophic organisms. Iron deficiency reduces crop productivity, quality and yield, which in consequence lead to iron deficiency symptoms in humans. Because approximately 50 % of the global human caloric intake is derived from a cereal grain diet, it is not surprising that the emphasis of nutrition research is on uptake, transport and storage of iron in plants, specifically in seeds. In this doctoral thesis a small family of five potential iron transporters (VTL1-5) in Arabidopsis thaliana has been identified and characterized. These five transporters are CCC1-like proteins, four of which (VTL1-3, 5) show a pattern of iron-dependent expression. Through the use of a protein tag, VTL1 is shown to be localized on the vacuolar membrane and associated with import of iron into the vacuole. In this respect VTL1 displays an analogous function to VIT1. Since the knockout of VTL1 likely leads to embryo lethality and seedlings of the vit1-1 mutant display an ephemeral phenotype caused by iron deficiency, both proteins seem to uniquely influence the iron homeostasis. As for VTL1 both VTL2 and VTL5 are localized on the vacuolar membrane and catalyze iron import. The heterologous expression of all three genes in ∆ccc1 cells leads to an increased vacuolar iron concentration. In contrast, VTL3 and VTL4 may function as iron exporters and play possibly roles in xylem loading. This conclusion is supported by the facts that a mCherry-VTL4 signal is localized to the plasma membrane of tobacco leaf cells and that ∆ccc1 cells in which VTL3 and VTL4 are heterologous expressed, show a decreased iron content compared to control cells. All five proteins are able to complement the ∆ccc1 yeast mutant and the two Arabidopsis vit1-1 and nramp3/nramp4 mutant phenotypes, thereby demonstrating a function in iron transport.

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Chlorophyll spielt eine unabdingbare Rolle für die lichtabhängige Reaktion der Photosynthese. Die adäquate Versorgung mit Chlorophyll wird dabei durch die Tetrapyrrolbiosynthese (TBS) gewährleistet. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl von Proteinen identifiziert, welche an der Anpassung der TBS an wechselnde (a)biotische Wachstumsbedingungen der Pflanze beteiligt sind. Allerdings konnte bislang nicht zweifelsfrei geklärt werden, wie die TBS mit der Integration von Chlorophyllen in die Photosysteme koordiniert wird. Vor einigen Jahren wurde ein Interaktionspartner der Protochlorophyllid-Oxidoreduktase (POR) in Synechocystis identifiziert, welcher als potenzieller Faktor dieser Koordination in Frage kommt. Das POR-INTERACTING TPR-Protein (Pitt) stabilisiert POR an der Thylakoidmembran und interagiert auch mit dem Vorstufenprotein des D1. Pitt gehört zur Familie der tetratricopeptide repeat (TPR) Proteine, deren Vertreter vorrangig für die Vermittlung von Protein-Protein-Interaktionen zuständig sind. Aus diesem Grund war, neben der Identifikation des potenziellen Pitt-Homologs im Modelorganismus Arabidopsis thaliana, die Analyse von anderen Vertretern dieser Proteinklasse ein vielversprechender Ansatz bei der Identifikation von weiteren Regulatoren der TBS oder Photosynthese. Von den fünf ausgewählten TPR-Proteinen aus Arabidopsis thaliana mit einer hohen Sequenzähnlichkeit zu Pitt waren vier in der Lage, physisch mit POR zu interagieren. Von diesen vier Kandidaten ist das durch das Gen At1g78915 kodierte, membranintegrale TPR-Protein (TPR1) der beste Kandidat des putativen Pitt-Homologs in Arabidopsis. Vergleichbar zu Pitt interagiert TPR1 mit POR und stabilisiert das Enzym an den plastidären Membranen. Die Stabilisierung von POR durch TPR1 spielt eine entscheidende Rolle während der Etiolierung und Ergrünung von Keimlingen. Darüber hinaus steht TPR1 im Zusammenhang mit der schnellen Inaktivierung der 5-Aminolävulinsäuresynthese. / Chlorophyll plays an indispensable role in the light reaction of the photosynthesis. The adequate supply of chlorophyll is ensured by tetrapyrrole biosynthesis (TBS). Within the last decades, multiple proteins were identified, which are involved in adjusting the TBS-pathway to changing (a)biotic plant growth conditions. Nevertheless, it is not fully understood how the TBS-pathway is coordinated parallel to the assembly of the photosystems and the integration of chlorophylls into the pigment-binding subunits of the photosystems. Several years ago, an interaction partner of the protochlorophyllide-oxidoreductase (POR) was identified in Synechocystis which was proposed to be involved in the coordination of these mechanisms. The POR-INTERACTING TPR-Protein (Pitt) binds and stabilizes POR at the thylakoid membranes and interacts with the precursor protein of D1. Therefore, Pitt could facilitate the incorporation of chlorophylls into the plastid-encoded nascent photosynthetic subunits. Pitt belongs to the tetratricopeptide repeat (TPR) protein family, whose members mediate protein-protein-interactions. Besides the identification of the potential Pitt-homolog in the model organism Arabidopsis thaliana, analysis of additional members of the TPR-protein superfamily was a promising approach for the identification of further posttranslational regulators of TBS and photosynthesis. Five Arabidopsis thaliana TPR-proteins with a high sequence similarity to Pitt were selected. Four of those proteins are able to interact physically with POR. Among them, the TPR-protein encoded by the gene At1g78915 (TPR1) was the best candidate to represent a putative Pitt homolog in Arabidopsis. Similar to Pitt, TPR1 is a plastid-localized integral membrane protein, which interacts with POR at the thylakoid membranes. The stabilizing effect of TPR1 on POR is especially needed during etioliation and greening. Additionally, TPR1 is required for a inactivation of the 5'-aminolevulinic acid synthesis.

Die für Pflanzen lebenswichtige Synthese von Tetrapyrrolen bedarf einer fein justierten Anpassung an die Umweltbedingungen und erfolgt auf transkriptioneller und post-translationaler Ebene. In den Chloroplasten hat sich die Regulation von Enzymen über ihren Redox-Status als probates Mittel zur Koordination der photosynthetischen Energiegewinnung und des Metabolismus erwiesen. Die bei der Photosynthese generierten Reduktionsäquivalente werden zum Teil über die Ferredoxin-Thioredoxin-Reduktase auf eine Vielzahl plastidärer Thioredoxine (TRX) übertragen, welche Disulfidbrücken ihrer Zielproteine reduzieren können. Unter den Enzymen der Tetrapyrrolbiosynthese (TBS) wurden bisher mehrere TRX-Interaktionspartner identifiziert, darunter die Glutamyl-tRNA-Reduktase (GluTR) und die 5-Aminolävulinsäure-Dehydratase (ALAD). In Arabidopsis Mutanten, in denen die NADPH-abhängige Thioredoxin-Reduktase (NTRC) oder f- und m-Typ-TRX fehlen, konnten verringerte Chlorophyll- und Hämgehalte beobachtet werden. Diese ließen sich auf die verringerte Stabilität verschiedener TBS-Enzyme in den Mutanten zurückführen, darunter auch die GluTR und ALAD. Die Relevanz der Cysteine (Cys, C) für die Regulation der GluTR1-Stabilität wurde in vivo über transgene Arabidopsis Cys➔Serin (Ser, S)-Substitutionslinien untersucht. Dabei erwies sich GluTR1(C464S) stärker vor dem Abbau über die kaseinolytische Protease (Clp) geschützt als das WT-Protein. Eine intermolekulare Disulfidbrücke zwischen den beiden Cys464-Resten des GluTR1-Homodimers wird daher als Abbausignal postuliert. Mit Hilfe der rekombinanten ALAD1(Cys➔Ser)-Substitutionsmutanten konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Stabilität, sondern auch die Aktivität der ALAD1 in vitro vom Redox-Status des Enzyms abhängig ist. Die ALAD1(Cys➔Ser)-Substitutionsmutanten konnten über Enzymaktivitäts- und gel shift-Assays unter oxidierenden und reduzierenden Bedingungen zur Identifizierung der redox-sensitiven Cys beitragen. / The synthesis of tetrapyrroles, such as chlorophyll, is vital for plants and requires a finetuned regulation. The control mechanisms involved in tetrapyrrole biosynthesis (TBS) take place both on transcriptional and post-translational levels. A broadly spread post-translational regulatory mechanism in the chloroplast involves the reduction of inter- or intramolecular disulfide bonds of redox-sensitive target enzymes by thioredoxins (TRX). Thereby the coupling of photosynthetic energy production with several energy-consuming metabolic processes can be accomplished. The reduction of disulfide bonds in redox-sensitive enzymes was previously shown to lead usually to their activation. Regarding the TBS, several TRX interacting proteins have been identified, including glutamyl-tRNA-reductase (GluTR) as well as the 5-aminolevulinic acid dehydratase (ALAD). Through the detailed and combined analysis of mutants with deficient NADPH-dependent thioredoxin reductase C (NTRC), TRX-f and TRX-m, a correlation became evident between decreased chlorophyll and heme levels of the mutants and lower amounts of several TBS enzymes, including GluTR and ALAD. For GluTR1, transgenic Arabidopsis cysteine (Cys, C) ➔ serine (Ser, S) substitution lines were generated and analyzed to identify the redox-sensitive Cys residues in vivo. In these studies, GluTR1(C464S) was shown to be better protected from degradation by the caseinolytic protease (Clp) than the GluTR1 WT protein. Thus, an intermolecular disulfide bond between the Cys464 residues in the dimerization domain of the GluTR1 homodimer is postulated to serve as a degradation signal under oxidizing conditions. However, it was shown by activity- and gel shift-assays with recombinant ALAD1(Cys➔Ser) substitution mutants that not only the stability, but also the in vitro activity of ALAD1 depends on the enzyme's redox state. Redox-sensitive inter- and intramolecular disulfide bridges of ALAD1 were identified among Cys71, Cys152 and Cys251.

Bei der lichtinduzierten Oxidation von Wasser im Photosystem II (PSII) werden zwei wassermoleküle im katalytischen Zyklus des Metallclusters (Mn4CaO5) benötigt, und vier Protonen aus dem Cluster in den Lumen abgegeben. Daher ist es für das Verständnis des Mechanismus´ der Wasseroxidation von entscheidender Bedeutung, die Veränderung der Protonierungszustände am cluster während der Katalyse zu untersuchen. Hierbei sollten sowohl die Wasserkanäle für die Zuführung der Substratwassermoleküle als auch die Transportwege für die Freisetzung der Protonen untersucht werden. Deshalb wurde in meiner ersten Veröffentlichung ein neues Protokoll entwickelt, um einzelne große Kristalle von dPSII mit einer Länge von ~3 mm in der Längsachse zu züchten. Diese Kristalle mit einer Auflösung von ca. 8 Å gemessen. Um eine höhere Auflösung zu erzielen, ist die Verbesserung der Kristallqualität essenziell. Daher wurde in meiner zweiten Veröffentlichung die Struktur des Detergens-Protein-Komplexes von dPSII mit βDM, durch Anwendung von SANS in Kombination mit SAXS untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass βDM eine monomolekulare Schicht um dPSII bildet. Darüber hinaus konnten freie Mizellen von βDM in der Lösung nachgewiesen werden. Damit ist eine weitere Optimierung der βDM-Konzentration in der Proteinlösung erforderlich, um die Bildung von freien Mizellen zu minimieren. In meiner dritten Veröffentlichung wurde die strukturelle Dynamik in den Wasserkanälen, während des S2-S3 Übergangs mit Hilfe der XFEL untersucht. Ein Datensatz mit einer hohen Auflösung von 1,89 Å wurde durch die Zusammenführung von Daten gewonnen, die während des S2-S3 Übergangs gesammelt wurden. In Anbetracht der Analyse der zusammengeführten Daten und der einzelnen Zeitpunkte, die während des S2-S3 Übergangs gesammelt wurden, ist es wahrscheinlich, dass ein Substratwasser durch den O1-Kanal geliefert wird. Im Gegensatz dazu wird ein Proton aus dem Cluster durch den Cl1 Transportweg in Richtung Lumen freigesetzt. / The light-induced oxidation of water in Photosystem II (PSII) requires incorporating two water molecules in the catalytic cycle of the active metal cluster (Mn4CaO5). Furthermore, four protons are released towards the bulk from the cluster. Therefore, tracking the change of protonation states at the active catalytic site and the surrounding protein side chains during catalysis and elucidating the pathways of water substrate insertion and proton release are crucial to understanding the water oxidation mechanism. Therefore, in the first study of my work, a new protocol was developed to grow single large dPSIIcc crystals with a length of ~3 mm in the long axis. These crystals, soaked in D2O containing buffer, diffracted to about 8 Å resolution. Improving the crystal quality is crucial for achieving a better resolution. Consequently, in the second study of my work, the structure of the detergent-protein complex of βDM-dPSIIcc has been investigated by applying SANS in combination with SAXS. The results showed that βDM is forming a monomolecular layer around the dimeric PSII core complex (dPSIIcc). Moreover, the SAXS data detected a peak assigned to the free micelles of βDM. These results raise the necessity to optimize the βDM concentration in the protein solution to avoid the possible excess of free micelles. In the third study of my work, the structural dynamics in the water channels connecting the cluster to the lumen during the S2  S3 transition were investigated using serial femtosecond XFEL. A high-resolution data set was obtained at a resolution of 1.89 Å by combining data collected at RT. Considering the analysis of the combined data and the individual time points collected during the S2  S3 transition, it is likely that the substrate water insertion into the open coordination site of the Mn1 ion is delivered through the O1 channel. In contrast, a proton from the cluster is released towards the bulk through the Cl1 A channel.

Im ersten Teil dieser Studie habe ich gezeigt, dass die Chaperonaktivität von cpSRP43 für die Stabilität der drei essenziellen TBS-Proteine Glutamyl-tRNA-Reduktase (GluTR), der H-Untereinheit der Magnesium-Chelatase (CHLH) und von Genomes Uncoupled 4 (GUN4 ) wichtig ist. cpSRP43 schützt diese TBS-Proteine effizient vor hitzeinduzierter Aggregatbildung und verbessert ihre Thermostabilität während eines Hitzeschocks. Während die substratbindende Domäne (SBD) von cpSRP43 für die Interaktion mit LHCPs ausreicht, erfordert die Stabilisierung der TBS-Proteine die zusätzliche cpSRP43-Chromodomäne 2 (CD2). Es wurde überraschend gefunden, dass cpSRP54 die Chaperonaktivität von cpSRP43 für LHCPs aktiviert, während es sie für TBS-Proteine vermindern kann. Aber erhöhte Temperatur kann die Bindung von cpSRP43 mit cpSRP54 lösen, aber seine Wechselwirkung mit GluTR, CHLH und GUN4 verstärken, was zu einem verstärkten Schutz von cpSRP43 gegenüber diesen Proteinen unter Hitzeschockbedingungen führt. Im zweiten Teil dieser Studie wurde festgestellt, dass PORB (eines der drei POR Isoformen) ein weiteres Ziel von cpSRP43 ist. Zusammenfassend haben meine Studien einen möglichen Mechanismus von PORB durch konzertierte Aktionen von cpSRP43 und cpSRP54 aufgezeigt. (1) cpSRP43 wirkt als molekulares Chaperon, um PORB vor der Aggregation zu schützen, wodurch die Stabilität des PORB bewahrt wird. (2) cpSRP54 kann PORB bei der Anlagerung an die Thylakoidmembran unterstützen, was vermutlich den Abbau von PORB vermeidet und die Stabilität von PORB verbessert oder den Zugang zum katalytischen Substrat ermöglicht. Zusammenfassend trägt diese Arbeit zum erweiterten Wissen über die voneinander abhängige Chaperonfunktion der beiden Proteine cpSRP43 und cpSRP54 bei der Koordination von Chlorophyllsynthese und LHCP-Biogenese bei. / In the first part of this study, I showed that the chaperone activity of cpSRP43 is essential for the stability of the three critical TBS proteins: glutamyl-tRNA reductase (GluTR), the H subunit of magnesium chelatase (CHLH), and GENOMES UNCOUPLED 4 (GUN4). cpSRP43 efficiently protects these TBS clients from heat-induced aggregation and enhances their thermostability during heat shock. Although the substrate-binding domain (SBD) of cpSRP43 is sufficient for the interaction with LHCPs, the stabilization of TBS clients requires the additional chromodomain 2 (CD2). cpSRP54, which activates the chaperone activity of cpSRP43 on LHCPs, was surprisingly found to antagonize this chaperone activity on TBS proteins. The elevated temperature alleviates the binding of cpSRP43 to cpSRP54 but enhances its interaction with GluTR, CHLH and GUN4, resulting in enhanced protection of cpSRP43 to these proteins under heat shock conditions. My study suggests a working model that the temperature sensitivity of the cpSRP43-cpSRP54 complex enables cpSRP43 to serve as an autonomous chaperone for the thermoprotection of TBS proteins. In the second part of this study, PORB (one of the three POR isoforms) was found to be a new target of cpSRP43. My study revealed a potential mechanism of PORB by concerted actions of cpSRP43 and cpSRP54: (1) cpSRP43 acts as a molecular chaperone to protect PORB from aggregation, thereby preserving the stability of PORB. (2) cpSRP54 assists PORB in attachment to the thylakoid membrane, avoids the degradation of PORB and, thus, improves the stability of PORB or enables access to the catalytic substrate. In summary, this thesis contributes to the extended knowledge about the interdependent chaperone function of cpSRP43 and cpSRP54 in coordination of Chl synthesis and LHCP biogenesis.