Das Leben auf der Erde wird maßgeblich durch die Kraft der oxygenen Photosythese bestimmt, die Sonnen- in chemische Energie umwandelt. Cyanobakterien wie Prochloro- und Synechococcus zählen zu den wichtigsten primären Produzenten der Ozeane und werden zunehmend als Modelle für photosynthetische Organismen genutzt. Um die Regulationsmechanismen dieser Picocyanobakterien besser zu verstehen, wurde hier die Information von vier Genomen hochgradig verwandter aber dennoch ökologisch unterschiedlich angepasster mariner Stämme genutzt in einer Kombination aus computer-gestützten und experimentellen Untersuchungen. Sequenzsignale und RNA-kodierende Gene wurden als neuartige Regulationselemente identifiziert und entlang des phylogenetischen Gradienten verglichen. Mittels ''phylogenetic footprinting'' konnte ein minimales, konserviertes Set möglicher Transkriptionsfaktoren, deren Bindestellen und Regulons aufgedeckt werden. NtcA-, LexA- und ArsR-ähnliche Motive wurden ebenso gefunden wie neue regulatorische Elemente. Mit Hilfe von RACE Experimenten wurden einige der vorhergesagten Bindestellen Promotorregionen zugeordnet. Eine Suche nach konservierten Sekundärstrukturen detektierte mehrere nicht-kodierende RNAs, benannt Yfr für cYanobacterial Functional RNA. Eine vergleichende Analyse von Yfr7 innerhalb der cyanobakteriellen Linie ergab, dass diese RNA wahrscheinlich ein Homolog der E. coli 6S RNA ist. Zwei verschiedene Yfr7 Transkripte mit einem zirkadianen aber zeitversetzten Akkumulationsmuster lassen eine Verknüpfung ihrer Expression mit dem zirkadianen Rhythmus oder der Lichtintensität vermuten. Experimente in Synechocystis deckten einen neuartigen Regulationsmechanismus durch eine antisense RNA auf, welche die Menge der isiA mRNA kontrolliert und die Assemblierung von IsiA-Superkomplexen beeinflusst. Die funktionelle Zuordnung dieser neuen Elemente wird zu einem besseren Verständnis regulatorischer Netzwerke in marinen Cyanobakterien und darüber hinaus führen. / Life on Earth is driven by the power of oxygenic photosynthesis transforming solar into chemical energy. Cyanobacteria such as Prochlorococcus and Synechococcus belong to the most important primary producers within the oceans and increasingly serve as models for photosynthetic organisms. To better understand the regulatory mechanisms in these picocyanobacteria, here the information from four genomes of closely related and even so ecologically divergent marine strains was used in a combined computational and experimental approach. Sequence signals and RNA-coding genes as novel elements in the regulation of gene expression were identified and their distribution along the phylogenetic gradient compared. Phylogenetic footprinting revealed a minimal conserved set of putative transcription factors, their binding sites and regulons. Sites for NtcA, LexA and ArsR-like regulators were found as well as new cis elements. RACE experiments verified several of these predicted sites belonging to the promoter region. A search, focussing on conserved secondary structures, detected several non-coding RNAs named Yfr for cYanobacterial Functional RNA. A comparative analysis of Yfr7 structures, transcript types and accumulation throughout the cyanobacterial radiation indicated this RNA as the likely homologue of the E. coli 6S RNA. Two distinct Yfr7 transcripts with a circadian but time-shifted expression pattern suggested a coupling of their expression to the circadian rhythm or light intensity. Experiments in Synechocystis discovered a novel antisense RNA-mediated regulatory mechanism that controls isiA mRNA abundance and assembly of IsiA-photosystem I supercomplexes. Functional assignments of these new elements in the future will contribute to a deeper understanding of the regulatory network of marine cyanobacteria and promote new studies on bacterial ncRNAs.

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.

Hole-Burning (HB) und Fluorescence Line-Narrowing (FLN) bei 4.2 K sowie Experimente zur Temperaturabhängigkeit werden angewendet, um Energieniveaustruktur und Elektron-Phonon- Wechselwirkung im Antennenkomplex LHC II grüner Pflanzen zu untersuchen. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei der Vermeidung systematischer Meßfehler durch Reabsorption von Fluoreszenz oder durch Lichtstreuung und unerwünschtes Lochbrennen bei FLN-Experimenten. Durch die Auswertung von Lochspektren können erstmals drei niederenergetische elektronische Zustände bei 677.1, 678.4 und 679.8 nm nachgewiesen werden. Die inhomogene Breite der zugehörigen Absorptionsbanden beträgt etwa 4 nm. Wahrscheinlich stellt jeder dieser Zustände das tiefste Energieniveau einer Untereinheit des LHC II-Trimers dar und ist weitgehend an jeweils einem Chl a-Molekül lokalisiert. Die energetische Differenz zwischen den drei Zuständen kann durch strukturelle Heterogenität erklärt werden. Es kann nachgewiesen werden, daß die Meßergebnisse praktisch frei von Effekten durch unerwünschte Aggregation sind. Die homogene Linienbreite des energetisch tiefsten Zustandes bei 4.7 K wird vorwiegend durch phasenzerstörende Prozesse (pure dephasing) bestimmt. Die Lochbreiten innerhalb der 650 nm Absorptionsbande entsprechen Chl b-Chl a Energietransferzeiten von 1 ps und etwa 240 fs bei 4.2 K, während Lochbreiten innerhalb der 676 nm Absorptionsbande Chl a-Chl a Energietransferzeiten in der Größenordnung von 6-10 ps ergeben. In einer theoretischen Betrachtung werden die Beiträge zu Phonon-Seitenbanden bei HB und FLN separat analysiert. Auf dieser Grundlage können Ergebnisse von HB und FLN Experimenten an LHC II erstmals in einem konsistenten Modell durch schwache Elektron-Phonon-Wechselwirkung mit einem Huang-Rhys-Faktor von 0.9 und ein breites, stark asymmetrisches Ein-Phonon-Profil erklärt werden. / Spectral hole-burning (HB) is combined with fluorescence line-narrowing (FLN) experiments at 4.2 K and studies of temperature-dependent fluorescence spectra in order to investigate low-energy level structure as well as electron-phonon coupling of the LHC II antenna complex of green plants. Special attention has been paid to eliminate effects owing to reabsorption of fluorescence and to assure that the FLN spectra are virtually unaffected by hole-burning or scattering artifacts. For the first time, analysis of the 4.2 K hole spectra reveals three low-energy electronic states at 677.1, 678.4 and 679.8 nm, respectively. The inhomogeneous width of their absorption bands is approximately 4 nm. It is likely that each of these states is associated with the lowest energy state of one trimer subunit with the energetic separations being due to structural heterogeneity. It is likely that each of the low-energy states is highly localized on a single Chl a molecule of the corresponding trimer subunit. The results are shown to be virtually free from aggregation effects. The homogeneous width for the lowest state at 4.7 K is predominantly due to pure dephasing. Widths of holes burned into the 650 nm absorption band correspond to Chl b-Chl a energy transfer times of 1 ps and about 240 fs at 4.2 K while holewidths for the 676 nm absorption band lead to Chl a-Chl a energy transfer times in the 6-10 ps range. The complexities associated with the interpretation of the phonon structure in HB and FLN spectra are discussed by theoretically analyzing the different phonon sideband contributions. On this basis, 4.2 K HB and FLN data can be consistently interpreted for the first time by weak electron-phonon coupling with a Huang-Rhys factor of about 0.9 to protein phonons with a broad and strongly asymmetric one- phonon profile.

Photosystem I (PSI) aus dem thermophilen Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus ist ein transmembraner Protein-Pigment-Superkomplex der photosynthetischen Elektronentransportkette. Er wandelt die Energie des Lichts in elektrische Energie mit einer Quanteneffizienz von nahezu 100 % um. Dazu uberträgt PSI Elektronen von Plastocyanin bzw. Cytochrom c6 (Cyt c6) auf Ferredoxin. Die Struktur des PSI wurde bereits 2001 mit einer Auflösung von 2,5 Å beschrieben (Jordan et al. 2001). Es lässt sich zur Generierung von Photoströmen auf Elektrodenoberflächen assemblieren und zur Produktion von Biokraftstoffen mit Enzymen koppeln. Die elektrische Kontaktierung des PSI mit Elektrodenoberflächen kann durch Komplexierung mit dem mitochondrialem Cytochrom c aus Pferdeherz (Cyt cHH) erhöht werden. Aufgrund der Nutzbarkeit dieses Proteinkomplexes sollte geklärt werden, wie PSI und Cyt cHH wechselwirken und wie sich die Interaktion von der des nativen PSI-Cyt c6-Komplexes unterscheidet. Deshalb lag der Fokus meiner Arbeit darauf, die Bindung des Cyt c6 und seines Analogons Cyt cHH an PSI mit kinetischen, kalorimetrischen, theoretischen und strukturellen Methoden zu untersuchen. Das Cyt c6 bindet im reduzierten Zustand an PSI und verringert nach erfolgtem Elektronentransfer seine Affinität. Das Cyt cHH bindet dagegen sowohl im reduzierten als auch im oxidierten Zustand an PSI. Mit Hilfe der kinetischen Messungen habe ich Bedingungen identifiziert, unter denen PSI mit dem jeweiligen Cytochrom c einen stabilen Komplex eingeht. Mit Hilfe eines rigid-body dockings wurden potenzielle Bindungsstellen der beiden Cytochrome berechnet. Fur Cyt c6 ergab sich eine spezifische Bindungsstelle, die eine gute Übereinstimmung mit den von mir gemessenen Kinetiken sowie mit weiteren Literaturdaten zeigt. Diese Bindungsstelle korreliert mit der veröffentlichten Kostruktur des bakteriellen Reaktionszentrums mit Cyt c2 aus Rhodobacter sphaeroides. Demgegenüber sind mehrere Cyt cHH-Bindungsstellen ... / Photosystem I (PSI) from the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus is a membrane-bound, multipigment protein supercomplex. It converts light to electrochemical energy with a quantum efficiency of almost 100 %. It reduces the luminal proteins plastocyanin and cytochrome c6 (Cyt c6) to oxidize the stromal protein Ferredoxin. The structure of PSI has been solved in 2001 at a resolution of 2,5 Å (Jordan et al. 2001). PSI can be assembled on an electrode surface to produce photocurrents and the generated electrons can be used for the production of biofuels. The mitochondrial cytochrome c from horse heart (Cyt cHH) binds strongly to both, PSI and the electrode surface, and can therefore be applied to improve the electrical coupling. Due to the practical use of the PSI-Cyt c complex, the aim of my thesis is to characterize the interaction of PSI with Cyt c6 and the analog Cyt cHH. To this end, the binding of both cytochromes to PSI was analyzed by kinetic, calorimetric, theory-based and structural methods. Cyt c6 binds to PSI while being reduced and decreases its affinity after transferring its electron. In contrast, Cyt cHH binds to PSI in both oxidation states, reduced and oxidized, with identical affinity. By means of kinetic measurements, I identified conditions in which PSI forms a stable complex with either of the two cytochromes. The positions of the cytochrome binding sites at PSI were calculated by a rigid-body docking. For the calculation with Cyt c6, the majority of the potential binding sites are located at the luminal side of PSI, close to P700. The theoretic properties of one of these binding sites are in good agreement with my own kinetic measurements and literature data. The position and orientation of Cyt c6 in this theoretic binding site is almost identical to the localization of Cyt c2 in cocrystals with the bacterial reaction center from Rhodobacter sphaeroides. The potential Cyt cHH binding sites are uniformly distributed over ...

Die lichtaktivierte Kinase Phototropin aus Chlamydomonas reinhardtii, die photoaktivierte Adenylatcyclase (PAC) aus Euglena gracilis und das BLUF-Protein Slr1694 aus Synechocystis sp. PCC 6803 wurden in Hinblick auf die molekularen Details der primären photochemischen Prozesse sowie der Signalweiterleitung untersucht. Phototropin wurde mit Hilfe von Arginin aus Escherichia coli in Milligramm Mengen isoliert. Ohne Arginin wurde E. coli cAMP Rezeptorprotein assoziiert aufgefunden, welches eine hohe Homologie zu einer cAMP aktivierten Kinase aus C. reinhardtii besitzt. Volllängen Phototropin bildet wie einzelne LOV-Domänenkonstrukte ohne Kinasedomäne den Flavin-Triplettzustand und das kovalente Cysteinyl-Addukt. Der Zerfall des Signalzustandes ist in Anwesenheit von ATP beschleunigt und deutet auf Photorezeptor-Kinase Interaktion hin. Strukturelle Änderungen in der Kinasedomäne wurden durch FTIR-Differenzspektroskopie gezeigt. Über ELDOR-Spektroskopie wurde der Abstand der Photorezeptordomänen auf etwa 25 Angstrom bestimmt. Mutationen in Slr1694 an S28, N31 und W91 zeigten keine konservierten Einfluss auf die Dynamik des Signalzustands. Die Entfernung der Seitenkette von S28 führte zu einer 15 nm Rotverschiebung des Absorptionsspektrums aufgrund veränderter Wasserstoffbrückenkoordination des Kofaktors. Die Einführung von positiv geladenen Seitenketten an Stelle von N31 erhöhte die Kofaktorbindung von phosphorylierten Flavinen. Künstliche Kofaktoren wie Roseoflavin konnten in Slr1694 durch Koexpression eines prokaryotischen Flavintransporters erreicht werden. Die Rolle von M152 in PAC für die Signalweiterleitung wurde anhand der lichtaktivierten cAMP Synthese-Aktivität gezeigt. Durch ultraschnelle IR-Spektroskopie wurde die Beteiligung der Seitenketten von Y8 sowie Q50 bestätigt und eine genauere Beschreibung der Wasserstoffbrücken im langlebigen Signalzustand ermöglicht. / The light activated kinase Phototropin from Chlamydomonas reinhardtii, the photoactivated adenylylcyclase (PAC) from Euglena gracilis and the BLUF protein Slr1694 from Synechocystis sp. PCC 6803 were investigated concerning the molecular details of the primary photochemistry as well as signal transduction. Phototropin was isolated from Escherichia coli in mg amounts after solubilization with arginine. Without arginine E. coli cAMP receptor protein, which shows high homology to a cAMP activated kinase from C. reinhardtii, was copurified. Full length Phototropin shows similar photochemistry to LOV-domain containing proteins without the kinase including triplet and covalent cysteinyl adduct formation. Signaling state decay is accelerated in the presence of ATP and suggests photoreceptor-kinase interaction. FTIR spectroscopy showed light induced structural changes in the kinase domain. The distance of the photoreceptor domains of 25 Angstrom was determined by ELDOR spectroscopy. Mutation of the side chains of S28, N31 and W91 in Slr1694 showed no conserved influence on the dynamic of the signaling state. Removal of the hydroxyl group of S28 lead to a 15 nm red shift of the absorption spectrum as a result of altered hydrogen bond coordination of the cofactor. Introduction of positively charged side chains at the position of N31 strengthened the binding of phosphorylated flavins. An artificial flavin like roseoflavin was introduced in Slr1694 by coexpression of a bacterial flavin transporter. The essential role of M152 in PAC for signal transduction was shown by determination of light activated cAMP synthesis activity. Ultrafast IR spectroscopy confirmed the contribution of Y8 and Q50 in the photocycle and gave a more detailed description of the hydrogen bonding situation in the signaling state.