In der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion der beiden cyanobakteriellen Phytochrome Cph1 und Cph2 untersucht. Dafür wurde zunächst das Wachstum von Mutanten mit einem inaktivierten cph1- bzw. cph2-Gen unter verschiedenen Lichtbedingungen analysiert. Das Wachstum aller Phytochrommutanten war unter Starklicht beeinträchtigt. Dahingegen wuchs die cph1-Mutante im FRL schlechter als der Wildtyp, während das Wachstum der cph2-Mutante im RL vermindert war. Eine cph1/cph2-Doppelmutante zeigte unter allen Lichtbedingungen eine Wachstumsreduktion, die der jeweiligen Einzelmutante ähnlich war. Die genaue Ursache für die Beeinträchtigung des Wachstums der Phytochrommutanten konnte nicht ermittelt werden. Die verschiedenen Aspekte der Photosynthese, wie Pigmentzusammensetzung, maximale Netto-Sauerstofffreisetzungsrate und 77K-Fluoreszenzemission, waren in den Phytochrommutanten nicht signifikant verändert. Bei Synechocystis sp. PCC 6803 konnte eine lichtgerichtete Bewegung beobachtet werden, wobei man aufgrund von Aktionsspektren der Motilität eine Funktion der Phytochrome oder phytochromähnlichen Proteine bei der Steuerung der phototaktischen Bewegung vermutet. Dem Cph1-Protein konnte hierfür keine Rolle zugeordnet werden. Dahingegen scheint der Photorezeptor Cph2 die lichtgerichtete Bewegung der Zellen in Richtung einer Blaulichtquelle zu inhibieren. Eine Interaktion mit einem klassischen Blaulicht-Rezeptor konnte ausgeschlossen werden. / The function of the cyanobacterial phytochromes Cph1 and Cph2 was investigated. At first, the growth of mutants with an inactivated cph1 or cph2 gene was analysed under different light conditions. The growth of all phytochrome mutants was affected under high-light conditions. However, the cph1 mutant grew slower than the wild type in far-red light, whilst the cph2 mutant revealed a reduced growth under red light conditions. A decreased growth of the cph1/cph2 double mutant was observed under all light conditions with a growth rate similar to the corresponding single mutant. The exact reason for the growth impairment of the phytochrome mutants could not be ascertained. Different aspects of photosynthesis (pigment composition, maximal net-oxygen evolution and 77K fluorescence emission) were not changed significantly in the phytochrome mutants. Synechocystis sp. PCC 6803 shows a movement towards a light source. Based on action spectra of motility phytochromes and phytochrome-like proteins are supposed to have a function in regulating the phototactic movement. An influence of the Cph1 protein in the phototactic movement was not demonstrated. Whereas, the Cph2 protein seems to be involved in the inhibition of the cell movement towards blue light. An interaction with a typical blue-light receptor was excluded.

Der Abbau der PBS unter Stickstoffmangel ist in Cyanobakterien ein ubiquitärer Mechanismus. Essenziell für den Abbau ist das Protein NblA. Das in Nostoc sp. PCC 7120 gut untersuchte ~7 kDa große Protein interagiert als Homodimer mit den PBS und dem Chaperon ClpC. Soweit bekannt kodieren alle Cyanobakterien ein essenzielles NblA-Protein. Der Modellorganismus Synechocystis sp. PCC 6803, dagegen kodiert mit NblA1 und NblA2 sogar zwei für den PBS-Abbau entscheidende Proteine. In dieser Arbeit konnte erstmalig durch in vitro und in vivo Interaktionsstudien mithilfe von pull down-Versuchen und FRET gezeigt werden, dass NblA1 und NblA2 als biologisch aktive Form ein Heterodimer bilden. In vitro-pulldown-Versuche zeigten für Synechocystis eine Interaktion des Heterodimers mit den PBS und ClpC. Durch die Ausbildung dieses ternären Komplexes markiert NblA1/NblA2 die PBS für den Abbau durch eine Clp-Protease mit ClpC als Chaperonpartner. In Photobionten gibt es eine Reihe von clp-Genen, so besitzen Cyanobakterien vier proteolytische clp Untereinheiten. Aus diesen bilden sich gemischte Heptamere aus je zwei Clp-Untereinheiten. Zwei lösliche, im Cytoplasma vorkommende Proteasen wurden bis jetzt zweifelsfrei identifiziert, eine dritte, an der Thylakoidmembran assoziierte Protease wird außerdem vermutet. Diese putative Protease, vermutlich aus dem Chaperon ClpC und den proteolytischen Untereinheiten ClpP1 und ClpR aufgebaut, wurde heterolog exprimiert. Mittels Koreinigung konnte ein funktioneller proteolytischer Kern gereinigt werden, der zusammen mit dem Chaperon ClpC eine aktive Clp-Protease bildet. Durch Größenausschlusschromatografie und Untersuchungen zur Proteaseaktivität konnte diese dann erstmalig charakterisiert werden. Des Weiteren zeigten in vitro-Degradationsversuche mit der aktiven Protease zweifelsfrei, dass das NblA1/NblA2-Heterodimer durch ClpC-ClpP1/ClpR abgebaut wird. Der Abbau von NblA1/NblA2 kann demnach auch ohne ein Substrat durch die Protease erfolgen. / The degradation of pycobilisomes under nitrogen deficiency, which is visible as a color change from blue green to yellow green, is an ubiquitary mechanism. Essential for the degradation is the small NblA protein. The well characterized NblA protein from Nostoc sp. PCC 7120 builds as biological active form a homodimer and interacts with the phycobilisomes and ClpC. However, the model organism Synechocystis sp. PCC 6803 possess two nblA genes, nblA1 and nblA2, which are both essential for phycobilisome degradation. In this work it could be shown by interaction studies and Förster resonance energy transfer that NblA1 and NblA2 builds as biological active form a heterodimer. Furthermore it could be shown that the NblA proteins form a ternary complex with ClpC (the HSP100 chaperone partner of Clp proteases) and phycobiliproteins in vitro. This complex is susceptible to ATP-dependent degradation by a Clp protease. Clp proteases of Cyanobacteria consist, besides the chaperones ClpC and ClpX of three different proteolytic subunits (ClpP1, 2, 3) and the ClpP variant ClpR which lacks the catalytic triad typical of Serine-type proteases. In Synechococcus 7942 two Clp proteases could be identified by gel filtration and immunoblot analyses, which provided evidence that each protease consists of a unique proteolytic core comprised of two separate Clp subunits, one core consisting of ClpP1 and ClpP2, and the other of ClpP3 and ClpR, in which subunits ClpP1/ClpP2 interact with ClpX and the ClpP3/ClpR protease with ClpC. In addition to these two soluble proteases, a third, membrane associated proteolytic complex is assumed, consisting of ClpP1 and ClpR. In Synechocystis 6803, homologs of the Clp machinery could be found by BLAST analyzes. This putative ClpP1/ClpR protease could be characterized in vitro by size-exclusion chromatography and degradation assays. Furthermore it could be shown a degradation of the NblA1/NblA2 heterodimer by the protease.

Das Cyanobakterium Microcystis aeruginosa PCC 7806 enthält zwei Proteine unbekannter Funktion, welche eine hohe Sequenzähnlichkeit mit Bausteinen des eukaryotischen Aktinzytoskeletts haben. Eines dieser Proteine ist Aktin selbst, das andere ist das Aktinbindeprotein Profilin. Die vorliegende Arbeit enthält eine detaillierte Charakterisierung beider Proteine sowie Vergleiche mit ihren eukaryotischen Verwandten. So inhibiert, im Gegensatz zu Eukaryoten, cyanobakterielles Aktin nicht das Enzym DNaseI. Es bildet jedoch Polymere, die hier mit Phalloidin visualisiert wurden. Konfokale Mikroskopie offenbart klare Unterschiede in den Polymeren, da die cyanobakteriellen eine Länge von 10 µm nicht überschreiten und breiter sind als die zylindrischen, ca. 100 µm langen Filamente eukaryotischen Aktins. Röntgen-Kleinwinkelstreuungsdaten zeigen, dass cyanobakterielle Aktinpolymere in ihrer Form am ehesten einem Band ähneln. Es bestehen auch Unterschiede hinsichtlich des Profilins: während es in Eukaryoten ausschließlich Aktinmonomere bindet, assoziiert cyanobakterielles Profilin mit Aktinfilamenten und vermittelt die Entstehung flächiger Heteropolymere. GFP-Fusionsstudien zeigen, dass die Koexpression von Aktin und Profilin die Bildung eines Hohlraumkompartiments in E.coli nach sich zieht. Ähnliche Gebilde wurden bereits in Microcystis gezeigt und könnten auf die beobachteten Heteropolymere zurückzuführen sein. Diese Arbeit verdeutlicht, dass beide Proteine in einer natürlichen Bakterienpopulation etabliert sind und dort Merkmale tragen, die ihre eukaryotischen Vorläufer nicht zeigen. Folglich könnte die Anpassung an die räumlichen Begrenzungen einer Bakterienzelle, welcher die für die Regulierung der Polymerisation notwendigen Aktinbindeproteine fehlen, die Triebkraft für eine Koevolution von cyanobakteriellem Aktin und Profilin gewesen sein. Dieser Prozess gipfelte möglicherweise in der Entstehung eines neuartigen intrazellulären Gebildes von potentiell struktureller Bedeutung. / The cyanobacterium Microcystis aeruginosa PCC 7806 harbors two proteins with unknown functions that were transferred horizontally from eukaryotes and show a high degree of sequence identity with key components of the eukaryotic actin cytoskeleton. One is actin itself; the other is profilin, an actin binding protein. This work presents the detailed characterization of both proteins and comparisons with the eukaryotic archetype. In contrast to bona fide actin, its cyanobacterial counterpart does not inhibit DNaseI. It forms polymers that can be visualized with labeled phalloidin, resembling eukaryotic actin in that respect. However, confocal microscopy reveals key differences between polymers of eukaryotic and cyanobacterial actin. Whereas the former appear as cylindrical filaments about 100 µm in length, the latter are shorter and wider arresting polymerization at 5-10 µm. Structural elucidation by Small-angle X-ray scattering shows that cyanobacterial actin polymers are ribbon-shaped. This work also shows fundamental differences between cyanobacterial and eukaryotic profilin. Most importantly, cyanobacterial profilin binds actin filaments and mediates their assembly into heteropolymeric sheets. GFP labeling experiments show that the co-expression of cyanobacterial profilin and actin results in the formation of large hollow enclosures in E.coli. These structures resemble the shell-like distribution of actin in Microcystis aeruginosa and may be based on the actin/profilin heteropolymers observed in vitro. This work shows that both cyanobacterial proteins are established in a natural bacterial community where they have gained properties unknown from their eukaryotic ancestors. Consequently, the adaptation to the confined space of a bacterial cell devoid of binding proteins usually regulating actin polymerization in eukaryotes may have driven the co-evolution of cyanobacterial actin and profilin, giving rise to an intracellular entity of potential structural relevance.

Diese Arbeit befasst sich mit dem bisher noch nicht untersuchten Mechanismus der Cyanophycinbiosynthese. Hierzu wurden verschiedene kurze Cyanophycinmoleküle chemisch synthetisiert, die als definierte Primer in in vitro Experimenten verwendet wurden. Die Verwendung dieser Primer ermöglichte erstmals die Richtung der Verlängerung des Cyanophycinmoleküls aufzuklären. Die durchgeführten Experimente zeigten, dass der Einbau der konstituierenden Aminosäuren sukzessiv vom Carboxyterminus aus erfolgt. Weiterhin wurde gezeigt, dass auch die nicht proteinogenen Aminosäuren Ornithin und Citrullin vom Enzym eingebaut werden. Mittels ortsgerichteter Mutagenese wurde zudem eine Zuordnung unterschiedlicher Abschnitte der Cyanophycin-Synthetase zu den verschiedenen vom Enzym katalysierten Teilreaktionen versucht. Mutationen im N-terminalen Bereich der Cyanophycin-Synthetase aus Anabaena variabilis ATCC 29413 führten dazu, dass Aspartat nicht mehr in Cyanophycin eingebaut wurde, eine Mutation im C-terminalen Bereich bewirkte, dass Arginin nicht mehr mit Cyanophycin verknüpft werden konnte. Als Reaktionsmechanismus wird für die Bindung beider Aminosäuren jeweils eine Phosphorylierung des C-terminalen Aspartatrestes von Cyanophycin als Acylphosphat vorgeschlagen, wobei die Phosphorylierung der beta-Carboxylgruppe mittels gamma-[³²P]-ATP nachgewiesen werden konnte, die Phosphorylierung der alpha-Carboxylgruppe jedoch nicht. Durch Vergleiche mit Enzymen ähnlicher Aminosäuresequenz und bekannter Raumstruktur wird eine mögliche Begründung für diese unterschiedlichen Befunde gegeben. / This work is occupied with the till now uninvestigated mechanism of the biosynthesis of cyanophycin. Therefore different short cyanophycin molecules were synthesized chemically, which were employed as defined primers for in vitro experiments. The usage of these primers made it possible to clear up the direction of the elongation of the cyanophycin molecule. Experiments showed that the incorporation of the constituent amino acids happens successively starting from the carboxy-terminus. Further it was shown that the nonproteinogenic amino-acids ornithine and citrulline are incorporated by the enzyme. Using site-directed mutagenesis an assignment between segments of the cyanophycin synthetase to different parts of the reactions catalyzed by the enzyme was carried out. Mutations in the N-terminal part of cyanophycin synthetase of Anabaena variabilis ATCC 29413 lead to the finding, that aspartate was not incorporated into cyanophycin anymore. A mutation in the C-terminal part resulted in the disability of the enzyme to incorporate arginine into cyanophycin. As reaction mechanism for the attachment of both of the amino acids a phosphorylation of the C-terminal aspartate as an acylphosphate was proposed. The phosphorylation of the beta-carboxylic-group could be shown by using gamma-[³²P]-ATP, the phosphorylation of the alpha-carboxylic group could not be shown. By comparison with enzymes that share a similar amino acid sequence and have a solved crystal structure a possible explanation for this finding is given.

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.

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.

Die hoch abundante sRNA 6S RNA reguliert in Prokaryoten durch Bildung eines stabilen Riboproteinkomplexes mit der RNA Polymerase maßgeblich die globale Genexpression zur Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen. In der vorliegenden Arbeit wurde die regulative Funktion von 6S RNA in Cyanobakterien am Beispiel des Modellorganismus Synechocystis sp. PCC 6803 beleuchtet. Die Analysen zeigten, dass die 6S RNA-Transkriptmenge sowohl unter phototrophen als auch unter photoheterotrophen Bedingungen in der stationären Wachstumsphase abnahm. Zudem wurden physiologische Untersuchungen einer 6S RNA-Deletionsmutante (delta_ssaA) und einer Überexpressionsmutante unter diversen Stressbedingungen durchgeführt. Während für delta_ssaA eine erhöhte Sensitivität gegenüber oxidativem Stress gemessen wurde, war die Thermotoleranz in den Mutanten nicht beeinträchtigt. Ferner wurde für delta_ssaA eine verlangsamte Regeneration nach Stickstoffmangel ermittelt, die sich phänotypisch durch eine verzögerte Reassemblierung der Phycobilisomen und des Glykogenabbaus sowie durch eine verminderte photosynthetische Aktivität äußerte. Vergleichende Microarray-Analysen zeigten, dass sich die Genexpression in delta_ssaA unter Stickstoffmangel kaum vom Wildtyp unterschied. Hingegen waren während der Regeneration Gene kodierend für die ATP-Synthase, ribosomale Proteine, Photosynthese-Komplexe und Phycobilisomen in delta_ssaA signifikant negativ exprimiert. Zudem wurde eine charakteristische Expressionskinetik für die sRNA SyR11 ermittelt. In vivo-pulldown-Analysen der RNA Polymerase zeigten, dass 6S RNA während der Regeneration die Rekrutierung des Hauptsigmafaktors SigA begünstigt und die Dissoziation von Sigmafaktoren der Gruppe 2 beschleunigt. Derweil blieb das 6S RNA-Transkriptlevel unter Stickstoffstress nahezu konstant. Ein Nachweis von in vivo-synthetisierten pRNA-Transkripten blieb negativ. Die Ergebnisse werden in der vorliegenden Arbeit hinsichtlich der funktionellen Bedeutung von 6S RNA für die Adaptation an Stressbedingungen in Cyanobakterien diskutiert. / The highly abundant sRNA 6S RNA extensively regulates the global gene expression for adaptation to changing environmental conditions in many prokaryotes by forming stable complexes with the RNA polymerase. In this work, Synechocystis sp. PCC 6803 was used as a model organism to study the regulative function of 6S RNA in cyanobacteria. A decline in 6S RNA transcript levels during stationary phase was measured under phototrophic and photoheterotrophic conditions. Physiological studies were carried out under various stress conditions using a 6S RNA deletion mutant (delta_ssaA) and an overexpression mutant. Delta_ssaA exhibited increased sensitivity toward oxidative stress, whereas the thermo-tolerance of the cells was not affected in the mutant strains. The recovery from nitrogen depletion was considerably delayed in delta_ssaA compared to the wild type. This phenotype was physiologically characterized by a decelerated phycobilisome reassembly and glycogen degradation as well as reduced photosynthetic activity in delta_ssaA. Comparative transcriptome analysis verified these observations. While under nitrogen depletion similar gene expression patterns were measured in delta_ssaA and wild type, genes encoding ATP synthase, ribosomal proteins, photosystem components and phycobilisomes were significantly negatively affected in the mutant strain during recovery. Furthermore, a distinctive accumulation kinetics was found for the sRNA SyR11. In vivo pulldown analyses of the RNA polymerase revealed a promoting effect of 6S RNA on the recruitment of the housekeeping sigma factor SigA as well as on the complex dissociation of group 2 sigma factors. Meanwhile, the 6S RNA transcript level remained nearly constant during nitrogen deficiency and the detection of in vivo synthesized pRNA transcripts was negative. The results are discussed regarding the functional role of 6S RNA for the adaptation to stress conditions in cyanobacteria.

Bis zum heutigen Zeitpunkt ist wenig über die physiologischen Effekte von Ethanol auf Cyanobakterien bekannt. Dies ist nicht überraschend, da es unwahrscheinlich ist, dass Cyanobakterien in ihrer natürlichen Umwelt auf Wachstums inhibierende Konzentrationen stoßen, und deswegen war die Stressantwort auf Ethanol nur von geringerem Interesse für die Forschungsgemeinschaft. Nichts desto weniger sind durch neue Entwicklungen im Biofuel- Sektor, insbesondere im Kontext der Produktion von Ethanol mit Hilfe von genetisch manipulierten Cyanobakterien, Kenntnisse über die zelluläre Toleranz und Zellantwort gegenüber dem gewünschten Produkt von grundlegender Bedeutung. Microarray-Experimente, die einen Einblick in die zelluläre Antwort durch Änderung der Genexpression auf Ethanolproduktion bringen sollten, zeigten, dass Gene des Phycocyanin-Operons als die am signifikantesten und stärksten betroffenen funktionalen genetischen Elemente. Weitere Microarray-Experimente mit verschiedenen Konzentrationen von extern zugefügtem Ethanol zeigten eine zeitverzögerte (24h) Hochregulation von PS II-Genen und dem Transkript cpcG2. Diese Arbeit beschreibt weiterhin die Ergebnisse eines Experiments zur "Evolution im Labor", das die intrinsische Kapazität von Synechocystis sp. PCC 6803 zur Erweiterung der Toleranz gegenüber Ethanol aufzeigen sollte. Die erhöhte Ethanoltoleranz führte zu einer Optimierung der endogenen Ethanolproduktion. Derartige Versuche zur Stammoptimierung durch "Evolution im Labor" sollten daher geeignete Mittel sein, um bestimmte Eigenschaften von Organismen für biotechnologische Ziele zu verbessern. In der Gesamtheit geben die Ergebnisse dieser Arbeit Einblicke in die Antwort der Synechocystis-Zellen auf Ethanol auf den Ebenen des Stoffwechsels und der Genexpression und stellen eine wertvolle Datensammlung für zukünftige Versuche mit dem Ziel dar, die Ethanolproduktionsrate in Cyanobakterien durch genetic engineering zu erhöhen. / Until recently, little has been known about the effects of ethanol on the physiology of cyanobacteria. This is not surprising as it is unlikely that cyanobacteria encounter growth inhibiting concentrations of ethanol in their natural environment, and thus the ethanol stress response used to be of limited interest to the scientific community. Nevertheless, for recent biotechnological approaches in the field of biofuel production, and in particular for the attempts to produce ethanol with the help of genetically modified microalgae and cyanobacteria, knowledge of cellular tolerance and response to the desired product is pivotal. Microarray analysis demonstrating that a specific part of the phycocyanin operon is the most significantly and strongly affected functional genetic subsystem under ethanol producing conditions. Additional microarray experiments with different concentrations of external ethanol showed a time-delayed (24h) characterized by a prominent up-regulation of PS II genes with phycocyanin linker proteins playing a major role in the transcriptional response. Another aspect of this work was an artificial evolution experiment, which was performed to delineate the intrinsic capacity of Synechocystis sp. PCC6803 to tolerate ethanol. In addition, the evolved strain proved to be a superior background for endogenous ethanol production showing that artificial evolution experiments are a suitable method to improve certain features of organisms for biotechnological purposes. Overall, the results of this work give new insight into physiological and gene regulatory responses of Synechocystis sp. PCC6803 exposed to ethanol and will be a very valuable dataset for future attempts to improve cyanobacterial ethanol production by the means of genetic engineering.

Microcystine sind die wohl bekanntesten cyanobakteriellen Toxine. Sie werden im Wesentlichen durch die im Süßwasser weltweit verbreitete, koloniebildende Gattung Microcystis synthetisiert. Die biologische Funktion dieser Peptide ist jedoch ungeklärt. In dieser Studie wurde die Fragestellung erstmals über einen globalen Ansatz auf molekularer Ebene analysiert. Die proteomischen Analysen zwischen M. aeruginosa PCC 7806/ Wildtyp und einigen Microcystin-freien Mutanten deuten auf eine physiologische Rolle der Microcystine. Microcystine beeinflussen die Abundanz zahlreicher Proteine. Prominentester Vertreter ist RubisCO – Schlüsselenzym des Calvin Zyklus. RubisCO und andere im 2D selektierte Proteine konnten außerdem als mögliche zelluläre Bindepartner des Microcystins identifiziert werden. Möglicherweise bindet MC an bestimmte Cysteinreste dieser Proteine. Mit dem Knockout der mcy-Gene geht außerdem eine Überexpression eines Morphotyp-spezifischen Proteins einher, das MrpC genannt wurde. Dieses Protein vermittelt möglicherweise Zell-Zell-Interaktionen in Microcystis. / Microcystins are the most common cyanobacterial toxins found in freshwater lakes and reservoirs throughout the world. They are frequently produced by the unicellular, colonial cyanobacterium Microcystis; however, the role of the peptide for the producing organismen is poorly understood. In this study we describe the first global approach to investigate this topic on a molecular level. Proteomic studies with M. aeruginosa PCC 7806 wild-type and several microcystin-deficient mutants indicated a physiological function for microcystin. Microcystin was shown to influence the abundance of several proteins which have an intra- or extracellular function. A prominent candidate is RubisCO, the key enzyme of the calvin cycle. RubisCO and other proteins, initially selected by 2D analysis, are putative cellular binding partners of microcystin. A potentially interaction mechanismen is the kovalent binding of microcystin to cysteine residues of the protein. Moreover, several knockouts of microcystin biosynthesis genes result in an overexpression of a putative morpho-type specific factor, named MrpC. This protein possibly mediates cell-cell interactions in Microcystis.

Ziel dieser Arbeit war die Erhöhung der Temperaturtoleranz des Cyanobakteriums Synechocystis sp. PCC 6803 mittels ungerichteter Mutagenese und adaptiver Evolution. Trotz des erneuten Interesses an Cyanobakterien und Mikroalgen in den letzten Jahren, gibt es nur relativ wenige aktuelle Studien zum Einsatz dieser Methoden an Cyanobakterien. Zur Analyse eines mittels Mutagenese erzeugten Gemischs an Stämmen, ist es von großem Vorteil Hochdurchsatz-Methoden zur Kultivierung und zum Screening einsetzen zu können. Auf Basis eines Pipettierroboters wurde solch eine Plattform für phototrophe Mikroorganismen neu entwickelt und folgend stetig verbessert. Die Kultivierung erfolgt in 2,2ml Deepwell-Mikrotiterplatten innerhalb einer speziell angefertigten Kultivierungskammer. Schüttelbedingungen, Beleuchtung, Temperatur und CO2-Atmosphäre sind hierbei vollständig einstellbar.Die Plattform erlaubt semi-kontinuierliche Kultivierungen mit automatisierten Verdünnungen von hunderten Kulturen gleichzeitig. Automatisierte Messungen des Wachstums, des Absorptionsspektrums, der Chlorophyllkonzentration, MALDI-TOF-MS sowie eines neu entwickelten Vitalitätsassays wurden etabliert. Für die Mutagenese wurden die Letalität- und die nicht-letale Punktmutationsrate von ultravioletter Strahlung und Methylmethansulfonat für Synechocystis charakterisiert. Synechocystis wurde mit den so ermittelten optimalen Dosen mehrfach behandelt und anschließend einer in vivo Selektion unterzogen. Somit wurde dessen Temperaturtoleranz um bis zu 3°C erhöht. Über die Screeningplattform wurden die thermotolerantesten monoklonalen Stämme identifiziert. Nach einer Validierung wurde das vollständige Genom der Stämme sequenziert. Hierdurch wurden erstmals Mutationen in verschiedenen Genen mit der Langzeittemperaturtoleranz von Synechocystis in Verbindung gebracht. Bei einigen dieser Gene ist es sehr unwahrscheinlich, dass sie mittels anderer Verfahren hätten identifiziert werden können. / The goal of this work was the increase of the thermal tolerance of the cyanobacteria Synechocystis sp. PCC 6803 via random mutagenesis and adaptive evolution. Even with the renewed interest in cyanobacteria in the recent years, there is relatively limited current research available on the application of these methods on cyanobacteria. To analyse a mixture of various strains typically obtained through random mutagenesis, a method allowing high-throughput miniaturized cultivation and screening is of great advantage. Based on a pipetting robot a novel high-throughput screening system suitable for phototrophic microorganisms was developed and then constantly improved. The cultivation was performed in 2,2 ml deepwell microtiter plates within a cultivation chamber outfitted with programmable shaking conditions, variable illumination, variable temperature, and an adjustable CO2 atmosphere. The platform allows semi-continuous cultivation of hundreds of cultures in parallel. Automated measurements of growth, full absorption spectrum, chlorophyll concentration, MALDI-TOF-MS, as well as a novel vitality measurement protocol, have been established. Prior to the mutagenesis, the lethality and rate of non-lethal point mutations of ultraviolet radiation and methyl-methanesulphonate were characterized for Synechocystis. The thus determined optimal dosages were applied to Synechocystis followed by in vivo selection in four rounds of mutagenesis, thereby raising its temperature tolerance by 3°C. The screening platform was used to identify the most thermotolerant monoclonal strains. After validation, their whole genomes were sequenced. Thus mutations in various genes were identified which promote the strains'' thermal tolerance. For some of the genes it is very unlikely that their link to high thermal tolerance could have been identified by other approaches.