Der obligat intrazelluläre Parasit Toxoplasma gondii ist der Erreger der Toxoplasmose, und dient zugleich als wichtiger Modellorganismus für weitere Human- und Tierpathogene, wie z.B. Plasmodium oder Eimeria. Die Vermehrung von T. gondii erfordert eine effiziente Biosynthese von Phospholipiden für die Herstellung neuer Membranen, was durch die de novo Synthese durch den Parasiten, und/oder den Import von Lipiden aus der umgebenden Wirtszelle gewährleistet werden kann. Während der Parasit zahlreiche Möglichkeiten für Synthese oder Import von PtdEtn und PtdSer verwendet, scheint die Biosynthese des abundantesten Membranlipids PtdCho auschließlich über den CDP-Cholin Weg zu erfolgen. Dieser erstreckt sich in T. gondii über 3 zelluläre Kompartimente, mit einer cytosolischen Cholin-Kinase (TgCK), einer im Zellkern lokalisierenden Cholin-Cytidylyltransferase (TgCCT) und einer Cholin-Phosphotransferase (TgCPT) im ER. Anders als die substrat-spezifische Ethanolamin-Kinase (TgEK), kann TgCK neben Cholin außerdem Ethanolamin phosphorylieren. TgCK zeigt eine geringe Affinität zu Cholin (Km ~0.77 mM), während eine verkürzte TgCK (TgCKS), welcher eine als Signalpeptid vorhergesagte N-terminale Sequenz (20 Aminosäuren) fehlt, eine etwa 3-fach höhere Aktivität aufweist (Km ~0.26 mM). Während jedoch die Wildtyp-TgCK cytosolische Cluster in Toxoplasma bildet, zeigt die verkürzte TgCK eine gleichmäßigere cytosolische Lokalisierung. Wir schlussfolgern daraus, dass der hydrophobe N-Terminus nicht notwendig ist für eine funktionale TgCK, sondern eine strukturelle Funktion bei der Protein-Lokalisierung hat. Eine konitionelle Mutante, in welcher der TgCK Promoter gegen den Tetracyclin-regulierbaren Promoter pTetO7Sag4 ausgetauscht wurde (Deltatgcki), zeigt erstaunlicherweise normales Wachstum und PtdCho Biosynthese. Die TgCK Aktivität und die daraus resultierende PtdCho Synthese sind nur zu ~30% regulierbar. Unsere Ergebnisse deuten auf die Verwendung eines alternativen Startcodons bzw. Promoters hin, welcher zur Expression einer verkürzten (~53-kDa) aber vermutlich aktiven Cholin Kinase führt, wodurch der Verlust der TgCK (~70-kDa) kompensiert wird. Der konditionelle Knockout von TgCCT, dem regulatorischen Enzym des CDP-Cholin Wegs, hatte einen 50%igen Wachstumsdefekt zur Folge. Diese Studie zeigt eine erstaunliche Flexibilität des Parasiten bezüglich seiner Membranzusammensetzung, und bestätigt zugleich die Annahme, dass PtdCho nicht von der Wirtszelle importiert werden kann. Diese Anpassungsfähigkeit stellt einen möglichen Faktor dar, der es T. gondii erlaubt sich in einem breiten Spektrum von Wirten zu vermehren. / Toxoplasma gondii is an obligate intracellular apicomplexan parasite that causes life-threatening disease in neonates and in immunocompromised people. Successful replication of Toxoplasma requires substantial membrane biogenesis, which must be satisfied irrespective of the host-cell milieu. Like in other eukaryotes, the two most abundant phospholipids in the T. gondii membrane are phosphatidylcholine (PtdCho) and phosphatidylethanolamine (PtdEtn). Bioinformatics and precursor labeling analyses confirm their synthesis via the CDP-choline and CDP-ethanolamine pathway, respectively. This work shows that the 3-step CDP-choline pathway, involving the activities of TgCK, TgCCT and TgCPT, localizes to the cytosol, nucleus and ER membrane, respectively. The initial reaction is catalyzed by a dual-specificity choline kinase (TgCK, ~70-kDa), capable of phosphorylating choline as well as ethanolamine. The purified full-length TgCK displayed a low affinity for choline (Km ~0.77 mM). TgCK harbors a unique N-terminal hydrophobic peptide that is required for the formation of enzyme oligomers in the parasite cytosol but not for activity. The displacement of the TgCK promoter in a conditional mutant of T. gondii (deltatgcki) attenuated the enzyme expression by ~80%. Unexpectedly, the ?tgcki mutant was not impaired in intracellular growth, and exhibited a normal PtdCho biogenesis. To recompense for the loss of full-length TgCK, the mutant appears to make use of an alternative promoter and/or start codon, resulting in the expression of a shorter but active TgCK isoform identified by the anti-TgCK antiserum, which correlated with its persistent choline kinase activity. Accordingly, the ?tgcki showed an expected incorporation of choline into PtdCho, and susceptibility to dimethylethanolamine (a choline analog). Interestingly, the conditional mutant displayed a regular growth in off state despite a 25% decline in PtdCho content, which suggests a compositional flexibility in T. gondii membranes and insignificant salvage of host-derived PtdCho. The two-step conditional mutagenesis of TgCCT, which caused a reduced growth rate to about 50%, further substantiated this finding. The enzymatic activity of TgCCT and its role in PtdCho synthesis remain to be proven, however. Taken together, the results demonstrate that the CDP-route is likely essential in T. gondii. The competitive inhibition of choline kinase to block the parasite replication appears a potential therapeutic application.The work also reveals a remarkably adaptable membrane biogenesis in T. gondii, which may underly the evolution of Toxoplasma as a promiscuous pathogen.

Polyketides are natural products with complex chemical structures and immense pharmaceutical potential that are synthesized via secondary metabolic pathways. The in-vitro synthesis of these molecules requires high supply of building blocks such as acetyl Co-enzyme A, and cofactors (adenosine triphosphate (ATP). These precursor and cofactor are synthesized from respective soluble enzymes. Owing to the expensive nature of the enzymes, it is important to immobilize enzymes to improve the process economics by enabling multiple uses of catalyst and improving overall productivity and robustness. The polymer-based particles of nano and submicron size have become attractive material for their role in the life sciences. With the advances in synthetic protocols of the microgels and commercial availability of many of the monomers, it is feasible to tune the properties of the particles as per the process requirement. The core shell microgel with functional shell allows high loading of ligands onto the microgel particles due to increased availability of functional group on the outer surface. The aim of the thesis thus was to study biochemical reactions on the smart microgels support using single (acetyl CoA synthetase (Acs)) and dual (pyruvate kinase (Pk) and L-lactic dehydrogenase (Ldh)) enzyme/s systems. The study indicated that the enzyme immobilization significantly depends on the enzyme, conjugation strategy and the support. The covalent immobilization provides rigidity to the enzyme structure as in case of Acs immobilized on PNIPAm-AEMA microgels but at the same time leads to loss in enzyme activity. Whereas, in the case of covalent immobilization of Ldh on microgel showed improved in enzyme activity. On the other hand adsorption of the enzyme via ionic interaction provide better kinetic profile of enzymes hence the membrane reactor was prepared using PNIPAm-PEI conjugates for acetyl CoA synthesis. The better outcome of work with PNIPAm-PEI resulted in its further evaluation for dual enzyme system. This work is unique in the view that the immobilization strategies were well adapted to immobilize single and dual enzymes to achieve stable bioconjugates for their respective applications in precursor biosynthesis (Acetyl Co enzyme A) and co-factor dependent processes (ACoA and ATP). The positive end results of microgels as the support (particles in solution and as the thin film (membrane)) opens further prospective to explore these systems for other precursor biomolecule production.

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Cotranslational insertion of selenocysteine (Sec) proceeds by recoding UGA to a sense codon. This recoding is governed by the Sec insertion sequence (SECIS) element, an RNA structure on the mRNA, but size, location, structure determinants, and mechanism differ for Bacteria, Eukarya, and Archaea. For Archaea, the structure–function relation of the SECIS is poorly understood, as only rather laborious experimental approaches are established. Furthermore, these methods do not allow for quantitative probing of Sec insertion. In order to overcome these limitations, we engineered bacterial β-lactamase into an archaeal selenoprotein, thereby establishing a reporter system, which correlates enzyme activity to Sec insertion. Using this system, in vivo Sec insertion depending on the availability of selenium and the presence of a SECIS element was assessed in Methanococcus maripaludis. Furthermore, a minimal SECIS element required for Sec insertion in M. maripaludis was defined and a conserved structural motif shown to be essential for function. Besides developing a convenient tool for selenium research, converting a bacterial enzyme into an archaeal selenoprotein provides proof of concept that novel selenoproteins can be engineered in Archaea.

Die Tetrapyrrol-Biosynthese der Pflanzen ist ein hoch konservierter Prozess, indem sich die Häm- und Chlorophyllsynthese gemeinsame Syntheseschritte von der 5-Aminolävulinsäure (ALA)- bis hin zur Protoporphyrin IX (Proto)-Bildung teilen. Zur Hämsynthese sind in Arabidopsis thaliana zwei Isoformen der Ferrochelatase (FC) vorhanden, welche die Insertion von Eisenionen in Proto katalysieren. In dieser Arbeit wurden fc1 und fc2 Mutanten analysiert und für Komplementationsversuche mit nativen und modifizierten FC1/FC2-Sequenzen genutzt. Die in der fc1-2 Mutante gestörte Embryonalentwicklung infolge des FC1 Mangels konnte durch Expression eines pFC1::FC1 Genkonstruktes komplementiert werden. Die Expression von FC2 unter dem FC1 Promoter (pFC1::FC2) konnte die fc1-2 Mutante unter Standard-Wachstumsbedingungen vollständig komplementieren, jedoch nicht unter Salzstress. Zusätzlich zu den Komplementationsversuchen der fc1 Mutanten wurde auch eine fc2 Null-Mutante zur Expression der beiden genomischen FC Sequenzen herangezogen, um die spezifischen Funktionen der FC2-Varianten zu untersuchen. Während die pFC1FC2 (fc2/fc2) Pflanzen unter Dauerlicht eine vollständige Komplementation zeigten, konnte unter Kurztagbedingungen nur eine partielle Komplementation beobachtet werden. Versuche geben erste wichtige Hinweise, dass auch FC2 an der Regulation der ALA-Synthese infolge ihrer Interaktion mit PORB beteiligt ist. Dies deutet darauf hin, dass der Häm- und der Chlorophyllzweig eine gemeinsame Regulation der ALA-Synthese teilen, um das Gleichgewicht der TBS zu wahren. Neben der Funktion der FC2 in der Regulation der TBS konnte die vorliegende Arbeit ebenfalls die Rolle der FC2 in der Assemblierung der PSII-LHCII Superkomplexe offenlegen. Basierend auf den Ergebnissen, dieser Studie können Modelle für die funktionale Verteilung der beiden FC-Isoformen in unterschiedlichen Geweben und Entwicklungsstadien, sowie die Funktionen in verschiedenen biologischen Prozessen postuliert werden. / In plants, heme and chlorophyll synthesis share the common synthetic steps from 5- aminolevulinic acid (ALA) formation to Protoporphyrin IX (Proto) production in the conserved Tetrapyrrole biosynthesis (TBS) pathway. Arabidopsis thaliana utilizes two ferrochelatses (FC) to catalyse the insertion of ferrous iron into Proto to yield heme. In this study, the fc1 and fc2 defective mutants have been re-analysed and used for complementation tests with expression of a native or modified FC1/FC2 sequence. The pFC1FC1 (fc1/fc1) complementation plants confirmed that the defective embryo maturation in homozygous fc1-2 seeds is attributed to a lack of FC1. Expression of FC2 under the FC1 promoter contributed to a full complementation of fc1-2 under standard growth conditions, but not under salt stress. A fc2 null mutant has been used to express the two FC genomic sequences to substantiate the specific functions of FC2. Expression of FC2 under its own promoter was able to rescue fc2-2 mutants under both SD and CL conditions. However, pFC2FC1 (fc2/fc2) plants showed a partial complementation under SD condition. Via multiple interaction assays and mutant analyses, this thesis uncovered a mechanism of FC2 action on ALA synthesis regulation via interaction of FC2 and PORB. The results indicate that both branches of heme and chlorophyll synthesis share a common regulation to balance the TBS pathway. Apart from a role of FC2 involved in the regulation of TBS pathway, the presented study also revealed FC2 function in the assembly of the PSII-LHCII supercomplexes. Based on all the results obtained in this study, the functional distribution models of the two FC in different tissues and development stages, as well as diverse biological processes, have been proposed. In addition, to which extent that FC1/FC2 could compensate the function of the other isoform has been discussed.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Cbs1p und Cbs2p, zwei spezifische Translationsaktivatoren der COB-mRNA. Im Mittelpunkt standen sowohl die weitere molekularbiologische und biochemische Charakterisierung von Cbs1p als auch ein Screening von Interaktionskandidaten, die mit Cbs1p und/oder Cbs2p physikalisch wechselwirken könnten. Cbs1p liegt als peripheres Membranprotein fest mit der inneren Mitochondrienmembran matrixseitig assoziiert vor. Dabei spielen möglicherweise hydrophobe und/oder Protein-Protein-Wechselwirkungen mit integralen Membranproteinen eine essentielle Rolle bei der Membranverankerung von Cbs1p. Durch die Identifizierug von atmungsdefekten Cbs1p-Mutanten, deren Mutationen in Bereichen mit Homologie zu RNA-bindenden Proteinen liegt, verstärken sich die Hinweise zur Beteiligung von Cbs1p an der direkten physikalischen Wechselwirkung mit dem 5´-leader der COB-mRNA. Darüber hinaus konnte gezeigt werden,, dass die abspaltbare Präsequenz nicht notwendig für einen mitochondrialen Import ist. Die Ergebnisse präzisieren und erweitern das vorliegende Modell der Wirkungsweise der Translationsaktivatoren Cbs1p und Cbs2p (Michaelis, 1991). Aufgrund der Membranverankerung von Cbs1p wird auch die gebundene COB-mRNA in räumlicher Nähe zur Membran gebracht. Darüber hinaus definiert Cbs1p damit möglicherweise auch den Ort der Insertion des nascierenden Apocytochrom b in die Membran. Cbs2p vermittelt die Bindung zur kleinen Untereinheit der mitochondrialen Ribosomen und könnte seinerseits ebenfalls in Interaktionen mit Untereinheiten des bc1-Komplexes involviert sein.

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Fluorescence in blue light (FLU) ist ein negativer Feedbackregulator der Chlorophyllbiosynthese, welcher an der Dunkelrepression der 5-Aminolävulinsäure (ALA)-Synthese beteiligt ist. FLU ist Teil eines Komplexes, der die Enzyme umfasst, welche an der Katalyse der finalen Schritte der Chlorophyllbiosynthese beteiligt sind. Drei funktionelle Domänen wurden für das Arabidopsis FLU Protein postuliert: eine Tetratricopeptid-Wiederholungsdomäne (TPR) befindet sich am C-Terminus; eine Transmembrandomäne (TM) ist am N-Terminus lokalisiert; eine Coiled-coil-Domäne (linker) liegt dazwischen. Die TPR-Domäne von FLU Domäne interagiert mit dem C-terminalen Ende der Glutamyl-tRNA Reduktase (GluTR), dem geschwindigkeitsbestimmenden Enzym der ALA-Synthese. Diese Arbeit zur Erweiterung des Wissen über die Funktion von FLU im Licht sowie über die Rolle der funktionellen Domänen von FLU bei der Inaktivierung der ALA-Synthese bei. / Fluorescence in blue light (FLU), a negative feedback regulator of chlorophyll biosynthesis, is involved in dark repression of 5-aminolevulinic acid (ALA) synthesis. FLU is part of a complex comprising the enzymes catalyzing the final steps of chlorophyll synthesis. Three functional domains were proposed in the Arabidopsis FLU protein: a tetratricopeptide repeat (TPR) domain is at the C-terminus; a transmembrane domain (TM) is at the N-terminus; a coiled-coil domain (linker) is in between. The TPR(FLU) domain interacts with the C-terminal end of glutamyl-tRNA reductase (GluTR), the rate-limiting enzyme of ALA synthesis. This thesis contributes to the extended knowledge about the function of FLU in light as well as the role of the structural domains of FLU in the inactivation of ALA synthesis.