A new version of this entry is available:
Loading...
Doctoral Thesis
2024
Metabolic rewiring compensates for the loss of amino acid biosynthesis in Bacillus subtilis
Metabolic rewiring compensates for the loss of amino acid biosynthesis in Bacillus subtilis
Abstract (English)
Amino acids are considered as some of the earliest organic molecules to form on Earth. Serving as the building blocks of proteins, they are intricately connected to nearly every life process. Therefore, amino acid metabolism needs to be precisely regulated in any living organism. Amino acid metabolism includes the biochemical pathways responsible for the synthesis, degradation, and utilization of amino acids. Most of the bacteria, particularly the Gram-positive model bacterium Bacillus subtilis, have the capability to synthesize all proteinogenic amino acids or, if available, import them from the environment. Throughout evolution, different metabolic pathways have emerged to maintain metabolites level inside the cells. Some biosynthetic pathways are unknown as they are not primary routes or are typically inactive under normal conditions. However, they may become active under specific circumstances. Two very important pathways, previously not known to be substituted by alternative routes, involve de novo biosynthesis of glutamate, which is an essential amino group donor in every cell. Many bacteria can synthesize glutamate using a NADPH + H+-dependent glutamate dehydrogenase (GDH). Alternatively, glutamate can be produced by the combined action of the ATP-dependent glutamine synthetase (GS) and the NADPH + H+-dependent glutamate synthase (GOGAT). B. subtilis only employs the GS-GOGAT pathway for de novo synthesis of glutamate. In the context of this work, it was shown that a B. subtilis deficient for the GS-GOGAT pathway may employ the aspartase AnsB and aspartate transaminase AspB for the synthesis of glutamate in biologically significant amounts. Genetic analyses revealed that the aspartase AnsB converts ammonium and the tricarboxylic acid cycle intermediate fumarate to aspartate. Subsequently, the aspartate transaminase AspB transfers the amino group from aspartate to α-ketoglutarate, resulting in the production of L-glutamate and oxaloacetate. This observation challenges the well-established point of view of whether the GS-GOGAT-dependent pathway is indeed the only route for de novo synthesis of glutamate in nature. It was also set out to explore which amino acids could serve as the sole sources of carbon and nitrogen in the background of a B. subtilis strain that is a genetically stable glutamate auxotroph. The aim was to understand the conversion of the amino acids into glutamate and further to α-ketoglutarate, a reaction that is facilitated by the enzymatic activity of the GDHs RocG/GudB. It turned out that some of the amino acids are toxic for B. subtilis. However, B. subtilis can quickly develop resistance by the acquisition of mutations that result in reduced and enhanced amino acid uptake and export, respectively. Moreover, the toxicity of some amino acids may be reduced by increased degradation of glutamate. Furthermore, with focus on the toxicity of asparagine, it could be demonstrated that AimA, which has been characterized as a general amino acid importer, serves as a low affinity asparagine transporter in B. subtilis. Finally, AzlCD, which was previously described as an exporter for histidine and branched-chain amino acids, also exports asparagine. Thus, B. subtilis can adapt to amino acid toxicity in various ways.
Abstract (German)
Aminosäuren gehören zu ersten organischen Molekülen, die sich auf der Erde gebildet haben. Als Bausteine von Proteinen sind sie eng mit nahezu jedem Lebensprozess verbunden. Daher muss der Aminosäurestoffwechsel in jedem lebenden Organismus genau reguliert werden. Der Aminosäurestoffwechsel umfasst die biochemischen Wege, die für die Synthese, den Abbau und die Nutzung von Aminosäuren verantwortlich sind. Die meisten Bakterien, insbesondere das Gram-positive Modellbakterium Bacillus subtilis, besitzen die Fähigkeit, alle proteinogenen Aminosäuren zu synthetisieren oder, sofern verfügbar, aus der Umwelt zu importieren. Im Laufe der Evolution haben sich verschiedene Stoffwechselwege herausgebildet, um den Metabolitenspiegel in den Zellen aufrechtzuerhalten. Einige Biosynthesewege sind unbekannt, da sie keine primären Wege sind oder unter normalen Bedingungen typischerweise inaktiv sind. Unter bestimmten Umständen können sie jedoch aktiv werden. Zwei sehr wichtige Wege, von denen bisher nicht bekannt war, dass sie durch alternative Wege ersetzt werden können, umfassen die de novo-Biosynthese von Glutamat, einem essenziellen Aminogruppendonor in jeder Zelle. Viele Bakterien können Glutamat mithilfe einer NADPH + H+-abhängigen Glutamatdehydrogenase (GDH) synthetisieren. Alternativ kann Glutamat durch die Zusammenarbeit der ATP-abhängigen Glutamin-Synthetase (GS) und der NADPH + H+-abhängigen Glutamat-Synthase (GOGAT) hergestellt werden. B. subtilis nutzt ausschließlich den GS-GOGAT-Weg für die de novo-Synthese von Glutamat. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass ein B. subtilis, dem der GS-GOGAT-Weg fehlt, die Aspartase AnsB und die Aspartat-Transaminase AspB für die Synthese von Glutamat in biologisch signifikanten Mengen nutzen kann. Genetische Analysen ergaben, dass die Aspartase AnsB Ammonium und das Zwischenprodukt des Tricarbonsäurezyklus, Fumarat, in Aspartat umwandelt. Anschließend überträgt die Aspartat-Transaminase AspB die Aminogruppe von Aspartat auf α-Ketoglutarat, was zur Produktion von L-Glutamat und Oxalacetat führt. Diese Beobachtung stellt die etablierte Sichtweise in Frage, ob der GS-GOGAT-abhängige Weg tatsächlich der einzige Weg für die de novo-Synthese von Glutamat in der Natur ist. Außerdem sollte untersucht werden, welche Aminosäuren als einzige Kohlenstoff- und Stickstoffquellen für eine genetisch stabilen Glutamat-bedürftigen B. subtilis-Stamm dienen. Ziel war es, die Umwandlung der Aminosäuren in Glutamat und weiter in α-Ketoglutarat zu verstehen, eine Reaktion, die durch die enzymatische Aktivität der GDHs RocG/GudB katalysiert wird. Es stellte sich heraus, dass einige der Aminosäuren für B. subtilis toxisch sind. Allerdings kann B. subtilis durch den Erwerb von Mutationen, die zu einer verringerten Aminosäureaufnahme bzw. einem verstärkten Aminosäureexport führen, schnell eine Resistenz entwickeln. Darüber hinaus kann die Toxizität einiger Aminosäuren durch einen erhöhten Glutamat-Abbau verringert werden. Darüber hinaus konnte mit Fokus auf die Toxizität von Asparagin gezeigt werden, dass AimA, das als allgemeiner Aminosäureimporteur charakterisiert wurde, in B. subtilis als Asparagin-Transporter mit niedriger Affinität fungiert. Schließlich exportiert der AzlCD-Komplex, der zuvor als Exporter für Histidin und verzweigtkettige Aminosäuren beschrieben wurde, auch Asparagin. Somit kann sich B. subtilis auf verschiedene Weise an die Aminosäuretoxizität anpassen.
File is subject to an embargo until
This is a correction to:
A correction to this entry is available:
This is a new version of:
Other version
Notes
Publication license
Publication series
Published in
Other version
Faculty
Faculty of Natural Sciences
Institute
Institute of Biology
Examination date
2025-05-12
Supervisor
Cite this publication
Yousef Mardoukhi, M. S. (2024). Metabolic rewiring compensates for the loss of amino acid biosynthesis in Bacillus subtilis. https://doi.org/10.60848/12820
Edition / version
Citation
DOI
ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
570 Biology
Collections
Original object
University bibliography
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Yousef Mardoukhi2024,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/17889},
author = {Yousef Mardoukhi, Mohammad Saba},
title = {Metabolic rewiring compensates for the loss of amino acid biosynthesis in Bacillus subtilis},
year = {2024},
}