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.

Microviridine sind ribosomal synthetisierte, cyanobakterielle Depsipeptide. Die genetische Basis der Microviridinproduktion ist ein Gencluster mit den Genen mdnABCDE. Zwei neuartige ATP-grasp-Ligasen, MdnB und MdnC, katalysieren die Bildung von Lacton- und Lactamringen durch die Einführung von zwei -Ester-und einer -Amidbindung. Die Prozessierung wird von einer bislang unbekannten Peptidase durchgeführt. Neben den filamentösen Nostoc und Planktothrix gehört die einzellige, blütenbildende Cyanobakteriengattung Microcystis zu den Microviridinproduzenten. Die inhibitorische Aktivität gegenüber Serinproteasen verleiht Microviridinen ökologische und pharmazeutische Relevanz. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine kleine Microviridin Expressionsplattform konstruiert. Ein neuartiges Microviridin Gencluster aus Microcystis aeruginosa Nies843 wurde heterolog in E. coli exprimiert, bioinformatisch analysiert und mutiert. Das hochkonservierte PFFARFL-Motif im Precursorpeptid MdnA wurde als Erkennungssequenz für die ATP-grasp Ligasen identifiziert. Manipulationen am C-Terminus des leader-Peptids führten zu einer Inhibierung der Aktivität von MdnB. Peptid-Protein-Interaktionen zwischen MdnA und den ATP-grasp Ligasen wurden untersucht. Der ABC-Transporter MdnE stabilisiert höchstwahrscheinlich einen Microviridin Biosynthesekomplex an der inneren Membran, wofür zwei mögliche Modelle vorgeschlagen werden. Punktmutationen in der Microviridin core-Sequenz offenbarten Flexibilität des Microviridin-Biosyntheseapparates für das peptide engineering. Es wurde eine Mutante konstruiert, deren inhibitorische Aktivität gegen Elastase um den Faktor 100 verbessert wurde. Durch die Konstruktion einer Precursoraustauschplattform konnten bisher kryptische Microviridine produziert werden. Diese Methode hat Potential für den Bau von Microviridinbibliotheken. Letztlich wird eine Hypothese zum Bindungsmechanismus von Microviridinen an Proteasen aufgestellt. / Microviridins are ribosomally synthesized cyanobacterial oligopeptides. These peptides comprise an unrivaled multicyclic cage-like structure, carrying two characteristic  ester and one amide bond, which are introduced by the two novel ATP-grasp ligases MdnB and MdnC. In addition to the filamentous species Nostoc and Planktothrix, the unicellular, bloom-forming cyanobacterium Microcystis aeruginosa Nies843 is one of the microviridin producer strains. The potent serine protease inhibitory activity contributes to both ecological and pharmacological relevance of microviridins. During this work, a small expression platform carrying the microviridin gene cassette mdnABCDE was established. Microviridins were heterologously expressed in E. coli and analyzed using bioinformatics and mutational analysis. The strictly conserved PFFARFL motif in the precursor peptide MdnA was identified and characterized as a binding sequence for the ATP-grasp ligases. Protein interactions of MdnA with B and C were studied. The ABC transporter MdnE was unveiled to be crucial for cyclization and processing of microviridins, probably stabilizing a putative microviridin maturation complex at the inner membrane. Two initial models for the peptide recognition and processing have been proposed. Point mutations in the microviridin core sequence showed some flexibility of the microviridin biosynthetic pathway to be used for peptide engineering. The exchange of a phenylalanine against a leucine in position 5 of the core region resulted in more than a 100-fold increased inhibitory activity against the attractive drug target elastase. The possibility to express cryptic microviridin precursor peptides in a precursor exchange platform showed the potential to create peptide libraries. Finally, a hypothesis about the binding mechanism of microviridins is presented.

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.

Das Cyanobakterium Synechococcus elongatus PCC 7942 besitzt eine circadiane Uhr, die aus nur drei Proteinen besteht: KaiA, KaiB und KaiC. Durch 24stündige Phosphorylierungs- und ATPase-Zyklen des KaiC wird u. a. die globale Genaktivität gesteuert. Der Anteil circadian regulierter Gene sowie die Zahl und Organisation der kai-Gene scheinen in Cyanobakterien stark zu variieren. Um die Komponenten eines potenziell komplexeren Kai-Systems zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit Synechocystis sp. PCC 6803 als Modell ausgewählt. In dessen Genom werden ein KaiA- sowie jeweils drei divergierte KaiB- und KaiC-Proteine kodiert. Durch in vitro Studien konnte die Aktivität von KaiC1 und KaiC3 erstmals charakterisiert werden: KaiC1 zeigte eine KaiA-abhängige Kinase-Aktivität und bildet mit KaiA und KaiB1 vermutlich einen „Standard-Oszillator“. KaiC3 wies die typischen Kinase-, ATP-Synthase- und ATPase-Aktivitäten des KaiC aus Synechococcus auf. Deren Ausprägung erschien jedoch modifiziert. Ferner wurde die zeitliche und räumliche intrazelluläre Verteilung des KaiA sowie der KaiC-Proteine aufgeklärt. Die Kai-Proteine verhielten sich insgesamt abweichend von den Homologen aus Synechococcus, was das Fehlen einer circadianen Rhythmik unter den gewählten Wachstumsbedingungen erklärt. Angesichts kontroverser Diskussionen über die molekularen Details der Assemblierung von KaiC und KaiB aus Synechococcus wurde in einem ergänzenden Projekt demonstriert, dass die gesteigerte Phosphorylierung des KaiC bei 4°C zur Bildung stabiler KaiC-KaiB-Komplexe führt. Die dabei etablierte Methode erlaubt Untersuchungen der KaiC-KaiB-Interaktion unter Verwendung der Wildtyp-Proteine. / The cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 harbors a circadian clock consisting of only three proteins: KaiA, KaiB and KaiC. 24hour phosphorylation and ATPase cycles of KaiC control global gene activity. The number of circadian regulated genes as well as the number and organization of kai-genes seem to vary strongly among cyanobacteria. To analyze the components of a probably more complex Kai-system, Synechocystis sp. PCC 6803 was chosen as a model in the present study. Its genome encodes one KaiA- and each three KaiB and KaiC proteins. The activity of KaiC1 and KaiC3 was – for the first time - characterized by in vitro studies: KaiC1 displayed a KaiA-dependent kinase activity and builds a ,standard oscillator‘ together with KaiA and KaiB1. KaiC3 displayed the typical kinase, ATP synthase and ATPase activities of KaiC from Synechococcus. However, the characteristics of the activities appeared to be modified. Moreover, the temporal and spatial intracellular distribution of KaiA and the KaiC proteins was elucidated. Altogether, the Kai proteins performed different from their Synechococcus homologs, explaining the lack of circadian rhythms under the chosen growth conditions. In view of the controversial discussions about the assembly of KaiC and KaiB from Synechococcus, an additional project was set up to demonstrate that increased auto-phosphorylation of KaiC at 4 °C leads to the formation of stable KaiC-KaiB-complexes. In this context, a protocol was established that allows to analyse KaiC-KaiB interactions using wild-type proteins.

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.

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Geruchsstoffe in Trinkwassergewinnungsanlagen stellen ein weltweit auftretendes Problem dar und führen in der Regel zu einer Kostenintensivierung bei der Aufbereitung des Rohwassers. Die den erdig-muffigen Geschmack des Wassers verursachenden, hauptsächlichsten Substanzen Geosmin und 2-Methylisoborneol (2-MIB) sind schon in einem Konzentrationsbereich von 1-10 ng/L wahrnehmbar. Da das Trinkwasser Geruchs- und Geschmacksneutral sein soll, müssen im Zuge der Rohwasseraufbereitung die Geruchsstoffe entfernt werden. Geruchsstoffe können durch verschiedene Mikroorganismen wie Cyanobakterien, Aktinomyceten, Streptomyceten oder auch Algen gebildet werden. Das Ziel dieser Arbeit stellte daher die Identifikation von cyanobakteriellen Geruchsstoffbildnern in den drei sächsischen Trinkwassertalsperren Klingenberg, Cranzahl und Saidenbach dar. Das Hauptaugenmerk lag auf der Charakterisierung der vorkommenden benthischen Cyanobakterien. Neben deren Abhängigkeit von der Trophie des Gewässers sollte das Artenspektrum der benthischen Cyanobakterien untersucht werden sowie eine Identifikation erfolgen, welche Geruchsstoffe sie synthetisieren bzw. freisetzen. Dazu erfolgte die Gewinnung von Isolaten benthischer Cyanobakterien anhand von Proben, die aus den Talsperren entnommen wurden. Die anschließende Charakterisierung der Isolate wurde sowohl auf morphologischer als auch auf molekularbiologischer Ebene durch die partielle Sequenzierung der rbcL- und geoA-Gene durchgeführt. Ein weiteres Ziel bestand darin, die Fähigkeit zur Bildung von Geosmin und 2-MIB nachzuweisen. Dazu sollten ausgewählte Isolate, zur Abschätzung des Geruchsstoff-Bildungspotentials der Cyanobakterien in der Talsperre, unter verschiedenen Laborbedingungen kultiviert und auf die Bildung und Freisetzung von Geruchsstoffen hin untersucht sowie der Einfluss der Beleuchtung durch verschiedene Lichtfarben bzw. Spektren und des Mediums bestimmt werden. Zusätzliche Fragestellungen stellten die Identifikation spezifischer Gene sowie die Entwicklung eines geeigneten Primersystems und gegebenenfalls der Nachweis einer Korrelation zur Geruchsstoffbildung dar. Anhand der Klima- und der physikalischen Daten sollten mögliche Einflussgrößen auf die Geruchsstoffproduktion durch benthische Cyanobakterien aufgezeigt werden. Durch regelmäßige Probenahmen wie auch Kamerabefahrungen in Zusammenarbeit mit der Landestalsperrenverwaltung Sachsen wurde die Entwicklung des von Cyanobakterien dominierten Phytobenthos in drei Talsperren verfolgt und dokumentiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass dieses durch Vertreter der Gattungen Oscillatoria und Phormidium dominiert wurde. Im Verlauf der Untersuchungen konnten mehrere Massenentwicklungen von Cyanobakterien verfolgt werden. Die Abnahme des Staupegels ist in Verbindung mit der Sonneneinstrahlung die möglicherweise wichtigste Stellgröße für eine Massenentwicklung benthischer Cyanobakterien und einem damit verbundenen Anstieg des Geruchsstoff-Gehalts im Roh- bzw. Oberflächenwasser. Die Analyse der Entwicklung der Cyanobakterien unter natürlichen Bedingungen stellt aufgrund der großen Varianz der Einfluss nehmenden Parameter eine sehr komplexe Aufgabe dar. Daher wurden zur umfangreicheren Analyse der Herkunft der Geruchsstoffe Cyanobakterien isoliert. Dadurch wurde es möglich, das Geruchsstoff-Bildungspotential näher zu charakterisieren. Die erhaltenen Isolate wurden durch morphologische Merkmale bestimmt und molekularbiologisch durch partielle Sequenzierung des rbcL-Gens klassifiziert. Weiterhin erfolgte der analytische Nachweis von Geruchsstoffen in der Biomasse der Cyanobakterien sowie im Kultivierungsmedium. Der Nachweis von Geosmin in der Biomasse konnte hoch signifikant mit dem PCR-Nachweis von geoA korreliert werden. Es konnte gezeigt werden, dass der Besitz von geoA zu einer deutlich stärkeren Bildung und Freisetzung des Geruchsstoffs führt. Für das unter natürlichen Bedingungen ebenfalls auftretende 2-MIB konnten dagegen keine gesicherten cyanobakteriellen Produzenten identifiziert werden. 2003 wurde die Funktionalität des Gens cyc2 in Streptomyceten durch Gust et al. beschrieben. Auf dieser Grundlage konnte ein degeneriertes Primersystem zum Nachweis eines Stoffwechselgens (geoA) bei Cyanobakterien entwickelt werden. Die Biomasse des Isolats Phormidium sp. P2r aus der Talsperre Saidenbach enthielt einerseits in besonders großen Mengen intrazelluläres Geosmin. Andererseits konnten aber auch im Kultivierungsmedium hohe Geosminkonzentrationen ermittelt werden. Durch die Anwendung des etablierten Primersystems konnte mit der isolierten, genomischen DNA dieses Cyanobakteriums ein Amplifikat erhalten und sequenziert werden. Durch die Anwendung weiterer Protokolle, wie beispielsweise degenerierte Primersysteme oder des Vectorette-Ansatzes konnte der bekannte Sequenzbereich deutlich vergrößert werden. Dabei stellte es sich heraus, dass Phormidium sp. P2r zwei sehr ähnliche Gene (geoA1 und geoA2) besitzt, die vermutlich koreguliert werden. Die mRNA-Expressionsuntersuchungen bestätigten die Expression beider Gene bei Licht und einer Temperatur im Bereich von 10 - 20 °C. Nach einer 24stündigen Dunkelphase konnte die Bildung der geoA-mRNA hingegen nicht mehr nachgewiesen werden, was die Vermutung bestätigt, dass die Aktivität der Gene reguliert und nicht konstitutiv ist. Eine Verbindung der Synthese von Geosmin zur Photosysnthese ist aber dennoch fraglich. Die molekularbiologische Bestimmung der Diversität von geoA in Proben des Phytobenthos aus der Talsperre Klingenberg offenbarte eine große Vielfalt unterschiedlicher Sequenzen. Dies könnte auf vielfältigste Geosmin produzierende Mikroorganismen hinweisen. Das Geruchsstoff-Bildungspotential der isolierten und charakterisierten Cyanobakterien wurde unter verschiedenen Testbedingungen ermittelt. Dabei wurde vor allem der Einfluss unterschiedlicher Nährstoffkonzentrationen sowie Lichtfarben einschließlich UV-Strahlung untersucht. Es hat sich gezeigt, dass alle getesteten Stämme zur Geosmin-Freisetzung befähigt waren und sich das Freisetzungsniveau massiv in Abhängigkeit des Besitzes von geoA unterschied. Bei grünem Licht, welches auch in den untersuchten Talsperren den dominierenden Spektralanteil im Wasserkörper darstellt, wurde neben dem Tageslicht das beste Wachstum benthischer Cyanobakterien ermittelt. Letztendlich konnte durch die Laborexperimente eine variable Geosminbildung sowie ein unterschiedlicher Einfluss der Testbedingungen festgestellt werden. In der Talsperre Klingenberg konnte im Juni 2007 ein Gehalt von bis zu mehr als 70 ng Geosmin/L Oberflächenwasser bei einer Geruchsschwellenkonzentration von 1 ng/L (Young et al., 1996) ermittelt werden. Die Herkunft dieses Geruchsstoffs kann mit den Ergebnissen dieser Arbeit eindeutig den benthischen Cyanobakterien zugeordnet werden. Von besonderer Bedeutung war die Feststellung, dass der Besitz von geoA unter den benthischen Cyanobakterien der drei untersuchten Talsperren mit etwa 33 % der unterschiedlichen rbcL-Genotypen nicht weit verbreitet war. Die Rolle der anderen Cyanobakterien darf jedoch nicht unterschätzt werden, da z. B. hohe Geruchsstoff-Konzentrationen in der Talsperre Klingenberg bei einer deutlichen Dominanz von Oscillatoria sp. zustande kamen, aber alle als Oscillatoria klassifizierten Isolate geoA negativ waren. Eine Vorhersage der Entwicklung benthischer Cyanobakterien in den Talsperren kann auch mit den Ergebnissen dieser Arbeit nicht getroffen werden. Dazu ist die Reaktion der Cyanobakterien auf unterschiedliche Umweltfaktoren wie diese bei der Geruchsstoff-Bildung getestet wurden zu mannigfaltig. Wenn Cyanobakterien im Phytobenthos der Talsperren nachweisbar sind, könnte eine Prognose zur weiteren Entwicklung unter Berücksichtigung der zu erwartenden Veränderungen der Rahmenbedingungen, wie vor allem des Staupegels gegeben werden. Zur Ausbildung stabiler Cyanobakterien-Matten wie diese in der Talsperre Cranzahl 2007 vorhanden waren, ist sicherlich eine längerfristige Stabilität verschiedener und bislang noch unbekannter Rahmenbedingungen nötig. Obwohl die Dominanz der Cyanobakterien bei der Bildung von Geruchsstoffen im Phytobenthos in ähnlichen Habitaten auf Grund dieser Untersuchungen nicht mehr in Frage gestellt werden wird, ist dennoch die Möglichkeit gegeben, dass möglicherweise unter anderen Voraussetzungen und Bedingungen auch andere, nicht näher untersuchte Mikroorganismengruppen wie Aktinomyceten intensiv Geruchsstoffe in Talsperren bilden könnten.

Optimising illumination is essential for optimising the growth of phototrophic cells and their production of desired metabolites and/or biomass. This requires appropriate modulation of light and other key inputs and continuous online monitoring of their metabolic activities. Powerful non-invasive systems for cultivating heterotrophic organisms include shake flasks in online monitoring units, but they are rarely used for phototrophs because they lack the appropriate illumination design and necessary illuminatory power. This study presents the design and characterisation of a photosynthetic shake flask unit, illuminated from below by warm white light-emitting diodes with variable light intensities up to 2300 μmol m-2 s-1. The photosynthetic unit was successfully used, in combination with online monitoring of oxygen production, to cultivate Arthrospira platensis. In phototrophic growth under continuous light and a 16 h light/8 h dark cycle (light intensity: 180 μmol m-2 s-1), the oxygen transfer rate and biomass-related oxygen production were - 1.5 mmol L-1 h-1 and 0.18 mmol O2 gx-1 h-1, respectively. The maximum specific growth rate was 0.058 h-1, during the exponential growth phase, after which the biomass concentration reached 0.75 g L-1.

Cyanobakterien zŠhlen zu den Šltesten Lebewesen auf der Erde. Diese Bakterien, auch Blaualgen genannt, trugen wesentlich zur Sauerstoffanreicherung der Erde bei, da sie eine ausgeprŠgte FŠhigkeit zur Photosynthese besitzen. Der produzerte Sauerstoff der Photosynthese hemmt jedoch eine weitere AktivitŠt von Cyanobakterien, die Stickstofffixierung. Um die Hemmung zu vermeiden, werden diese AktivitŠten zeitlich getrennt und optimal dem tŠglichen Hell-Dunkel-Rhythmus angepasst. Ein evolutionŠrer Vorteil wird erzielt, wenn der Organismus diesen Rhythmus antizipiert und sich darauf vorbereitet. Aus diesem Grund haben Cyanobakterien eine innere Uhr entwickelt, deren Rhythmus zirkadian ist, ãzirka diemÒ bedeutet ãungefŠhr ein TagÒ. Cyanobakterien der Spezies Synechococcus elongatus PCC 7942 haben sich als Modellorganismus etabliert, weil in ihnen die ersten bakteriellen zirkadianen Oszillationen auf molekularer Ebene entdeckt worden sind. Ihre zirkadiane Uhr entspringt dreier, auf der DNS beieinanderliegenden, Gene (kaiA, kaiB, kaiC) und ihrer dazugehšrigen Proteine. Phosphorylierte KaiC-Proteine Ÿben eine RŸckkopplung auf die Transkription von kaiB und kaiC aus, wodurch die AktivitŠt des kaiBC-Promotors zirkadian oszilliert. Eines der wichtigsten Experimente der letzten Jahre hat gezeigt, dass dieser Transkriptions-Translations-Oszillator mit einem weiteren Oszillator gekoppelt ist, der nicht von Transkription und Translation abhŠngt. Das Experiment des Kondo Labors rekonstruiert zirkadiane Oszillationen mit nur drei Proteinen KaiA, KaiB, KaiC und ATP. Die Proteine bilden Komplexe verschiedener Stoichiometrie, die durchschnittliche Phosphorylierung des Proteins KaiC zeigt stabile Oszillationen mit einer zirkadianen Periode. Da ein Entfernen von einem der Proteine zum Verlust der Oszillationen fŸhrt, wird dieser Post-Translations-Oszillator auch als Kernoszillator bezeichnet. Der Phosphorylierungszyklus von KaiC wird bestimmt durch fortlaufende Phosphorylierung und Dephosphorylierung an zwei Positionen des Proteins, den AminosŠuren Serin 431 und Threonin 432. Die Phase des Kernoszillators kann an der Verteilung der vier PhosphorylierungszustŠnde (nicht-, serin-, threonin- und doppeltphosphoryliert) abgelesen werden. KaiC wechselwirkt mit KaiA und KaiB, damit verschieden phosphorylierte KaiC synchronisieren und die Uhr Ÿber mehrere Tage konstante Oszillationen zeigt. Die Details dieser Wechselwirkung sind jedoch unbekannt. In dieser Dissertation erstelle ich ein mathematisches Modell des Kernoszillators und simuliere die vorliegenden Experimente des O''Shea Labors. Die Simulation reproduziert den KaiC Phosphorylierungszyklus der Uhr quantitativ. Um die wichtigsten experimentellen Nebenbedingungen zu erfŸllen, muss das theoretische Modell zwei molekulare Eigenschaften von KaiC berŸcksichtigen, wodurch ich wichtige Vorhersagen treffe. Die erste Nebenbedingung ist durch die Robustheit des Systems gegeben. Die KaiC-Phosphorylierung Šndert sich nicht, wenn die Gesamtkonzentrationen der drei Proteine in gleicher Weise variiert werden. Um diese Bedingung zu erfŸllen, muss das Modell zwei verschiedenartige Komplexe von KaiA und KaiC berŸcksichtigen. ZusŠtzlich zu einem KaiAC Komplex, der die Autophosphorylierung von KaiC unterstŸtzt, muss KaiC den grš§ten Teil von KaiA unabhŠngig vom Phosphorylierungszustand sequestrieren. Diese zweite Bindestelle ist meine erste theoretische Vorhersage. Die zweite Nebenbedingung ist durch das Ÿbergangsverhalten nach Hinzugabe von KaiB gegeben. KaiB induziert eine Dephosphorylierung von KaiC, die abhŠngig vom Phosphorylierungsniveau ist. Ein Umschalten zwischen phosphoylierendem und dephosphorylierendem KaiC ist deshalb nur in bestimmten Zeitfenstern mšglich. Um die gemessenen Zeitfenster in der Simulation zu reproduzieren, postuliere ich im Modell, dass sechsfach Serin phosphorylierte KaiBC Komplexe KaiA inaktivieren. Diese hochgradig nichtlineare RŸckkopplung ist meine zweite theoretische Vorhersage. Die beiden Vorhersagen werden anschlie§end experimentell ŸberprŸft. HierfŸr werden aufgereinigte Kai-Proteine mit ATP gemischt. Proben an ausgewŠhlten Zeitpunkten werden mit der nativen Massenspektrometrie untersucht. Diese ist eine neuartige Methode, die es erlaubt, intakte Proteinkomplexe zu untersuchen. Die Spektren bestŠtigen sowohl die zweite KaiAC-Bindestelle als auch die nichtlineare RŸckkopplung. Das mathematische Modell erlaubt es au§erdem, die drei definierenden Prinzipien von zirkadianen Uhren fŸr den Kernoszillator zu erklŠren. Erstens sichern konstante Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsraten von KaiC und ein pŸnktliches Umschalten zwischen beiden Phasen den Freilauf des Oszillators. Dieser Freilauf bewirkt, dass die zirkadiane Uhr auch unter konstanten Bedingungen, vor allem gleichbleibenden LichtverhŠltnissen, weiterlaufen kann. Zweitens muss die Periodendauer des Oszillators zu unterschiedlichen Šu§eren Bedingungen erhalten bleiben (Temperaturkompensation). Diese Bedingung wird realisiert, indem temperaturabhŠngige Dissoziationskonstanten von KaiAC und KaiBC Komplexen Phasenverschiebungen erzeugen, die sich gegenseitig kompensieren. Drittens muss die Phase des Oszillators sich dem Tagesrhythmus anpassen kšnnen. Diese Anpassung folgt aus einem Šu§eren Warm-Kalt-Rhythmus, der die drei temperaturabhŠngigen Phasenverschiebungen nur zum Teil einschaltet und damit die Kompensation verhindert. Eine in silico Evolutionsanalyse zeigt, dass eine zweite phosphorylierbare AminosŠure einen evolutionŠren Vorteil bringt und die Verteilung der PhosphorylierungszustŠnde optimiert ist, um eindeutig die Zeit zu bestimmen. Das Ergebnis weist darauf hin, dass diese Verteilung die physiologisch wichtige Ausgangsgrš§e der Uhr ist und die vier PhosphroylierungszustŠnde die Funktionen der zirkadianen Uhr von Cyanobakterien sichern. / Biological activities in cyanobacteria are coordinated by an internal clock. The rhythm of the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 originates from the kai gene cluster and its corresponding proteins. In a test tube, the proteins KaiA, KaiB and KaiC form complexes of various stoichiometry and the average phosphorylation level of KaiC exhibits robust circadian oscillations in the presence of ATP. The characteristic cycle of individual KaiC proteins is determined by phosphorylation of serine 431 and threonine 432. Differently phosphorylated KaiC synchronize due to an interaction with KaiA and KaiB. However, the details of this interaction are unknown. Here, I quantitatively investigate the experimentally observed characteristic phosphorylation cycle of the KaiABC clockwork using mathematical modeling. I thereby predict the binding properties of KaiA to both KaiC and KaiBC complexes by analyzing the two most important experimental constraints for the model. In order to reproduce the KaiB-induced dephosphorylation of KaiC a highly non-linear feedback loop has been identified. This feedback originates from KaiBC complexes, which are exclusively phosphorylated at the serine residue. The observed robustness of the KaiC phosphorylation level to concerted changes of the total protein concentrations demands an inclusion of two KaiC binding sites to KaiA in the mathematical model. Besides the formation of KaiAC complexes enhancing the autophosphorylation activity of KaiC, the model accounts for a KaiC binding site, which constantly sequestrates a large fraction of free KaiA. These theoretical predictions have been confirmed by the novel method of native mass spectrometry, which was applied in collaboration with the Heck laboratory. The mathematical model elucidates the mechanism by which the circadian clock satisfies three defining principles. First, the highly non-linear feedback loop assures a rapid and punctual switch to dephosphorylation which is essential for a precise period of approximately 24 h (free-running rhythm). Second, the dissociation of the protein complexes increases with increasing temperatures. These perturbations induce opposing phase shifts, which exactly compensate during one period (temperature compensation). Third, a shifted external rhythm of low and high temperature affects only a part of the three compensating phase perturbations, which leads to phase shifts (phase entrainment). An in silico evolution analysis shows that the existing second phosphorylatable residue of KaiC is not necessary for the existence of sustained oscillations but provides an evolutionary benefit. The analysis demonstrates that the distribution of four phosphorylated states of KaiC is optimized in order for the organism to uniquely distinguish between dusk and dawn. Consequently, this thesis emphasizes the importance of the four phosphorylated states of KaiC, which assure the outstanding performance of the core oscillator.