TY - JOUR A1 - Barchewitz, Tino A1 - Guljamow, Arthur A1 - Meißner, Sven A1 - Timm, Stefan A1 - Henneberg, Manja A1 - Baumann, Otto A1 - Hagemann, Martin A1 - Dittmann, Elke T1 - Non-canonical localization of RubisCO under high-light conditions in the toxic cyanobacterium Microcystis aeruginosa PCC7806 JF - Environmental microbiology N2 - The frequent production of the hepatotoxin microcystin (MC) and its impact on the lifestyle of bloom-forming cyanobacteria are poorly understood. Here, we report that MC interferes with the assembly and the subcellular localization of RubisCO, in Microcystis aeruginosa PCC7806. Immunofluorescence, electron microscopic and cellular fractionation studies revealed a pronounced heterogeneity in the subcellular localization of RubisCO. At high cell density, RubisCO particles are largely separate from carboxysomes in M. aeruginosa and relocate to the cytoplasmic membrane under high-light conditions. We hypothesize that the binding of MC to RubisCO promotes its membrane association and enables an extreme versatility of the enzyme. Steady-state levels of the RubisCO CO2 fixation product 3-phosphoglycerate are significantly higher in the MC-producing wild type. We also detected noticeable amounts of the RubisCO oxygenase reaction product secreted into the medium that may support the mutual interaction of M. aeruginosa with its heterotrophic microbial community. Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1111/1462-2920.14837 SN - 1462-2912 SN - 1462-2920 VL - 21 IS - 12 SP - 4836 EP - 4851 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Guljamow, Arthur A1 - Barchewitz, Tino A1 - Große, Rebecca A1 - Timm, Stefan A1 - Hagemann, Martin A1 - Dittmann, Elke T1 - Diel Variations of Extracellular Microcystin Influence the Subcellular Dynamics of RubisCO in Microcystis aeruginosa PCC 7806 JF - Microorganisms : open access journal N2 - The ubiquitous freshwater cyanobacterium Microcystis is remarkably successful, showing a high tolerance against fluctuations in environmental conditions. It frequently forms dense blooms which can accumulate significant amounts of the hepatotoxin microcystin, which plays an extracellular role as an infochemical but also acts intracellularly by interacting with proteins of the carbon metabolism, notably with the CO2 fixing enzyme RubisCO. Here we demonstrate a direct link between external microcystin and its intracellular targets. Monitoring liquid cultures of Microcystis in a diel experiment revealed fluctuations in the extracellular microcystin content that correlate with an increase in the binding of microcystin to intracellular proteins. Concomitantly, reversible relocation of RubisCO from the cytoplasm to the cell’s periphery was observed. These variations in RubisCO localization were especially pronounced with cultures grown at higher cell densities. We replicated these effects by adding microcystin externally to cultures grown under continuous light. Thus, we propose that microcystin may be part of a fast response to conditions of high light and low carbon that contribute to the metabolic flexibility and the success of Microcystis in the field. KW - cyanobacterial bloom KW - Microcystis KW - microcystin KW - RubisCO KW - extracellular signaling Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/microorganisms9061265 SN - 2076-2607 VL - 9 IS - 6 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Guljamow, Arthur A1 - Barchewitz, Tino A1 - Große, Rebecca A1 - Timm, Stefan A1 - Hagemann, Martin A1 - Dittmann, Elke T1 - Diel Variations of Extracellular Microcystin Influence the Subcellular Dynamics of RubisCO in Microcystis aeruginosa PCC 7806 T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The ubiquitous freshwater cyanobacterium Microcystis is remarkably successful, showing a high tolerance against fluctuations in environmental conditions. It frequently forms dense blooms which can accumulate significant amounts of the hepatotoxin microcystin, which plays an extracellular role as an infochemical but also acts intracellularly by interacting with proteins of the carbon metabolism, notably with the CO2 fixing enzyme RubisCO. Here we demonstrate a direct link between external microcystin and its intracellular targets. Monitoring liquid cultures of Microcystis in a diel experiment revealed fluctuations in the extracellular microcystin content that correlate with an increase in the binding of microcystin to intracellular proteins. Concomitantly, reversible relocation of RubisCO from the cytoplasm to the cell’s periphery was observed. These variations in RubisCO localization were especially pronounced with cultures grown at higher cell densities. We replicated these effects by adding microcystin externally to cultures grown under continuous light. Thus, we propose that microcystin may be part of a fast response to conditions of high light and low carbon that contribute to the metabolic flexibility and the success of Microcystis in the field. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1154 KW - cyanobacterial bloom KW - Microcystis KW - microcystin KW - RubisCO KW - extracellular signaling Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-521287 SN - 1866-8372 IS - 1154 ER - TY - THES A1 - Barchewitz, Tino T1 - Impact of microcystin on the non-canonical localization of RubisCO in the toxic bloom-forming cyanobacterium Microcystis aeruginosa PCC7806 T1 - Einfluss von Microcystin auf die nicht-kanonische Lokalisierung von RubisCO im toxischen Blüten-bildenden Cyanobakterium Microcystis aeruginosa PCC7806 N2 - Cyanobacteria are an abundant bacterial group and are found in a variety of ecological niches all around the globe. They can serve as a real threat for fish or mammals and can restrict the use of lakes or rivers for recreational purposes or as a source of drinking water, when they form blooms. One of the most abundant bloom-forming cyanobacteria is Microcystis aeruginosa. In the first part of the study, the role and possible dynamics of RubisCO in M. aeruginosa during high-light irradiation were examined. Its response was analyzed on the protein and peptide level via immunoblotting, immunofluorescence microscopy and with high performance liquid chromatography (HPLC). It was revealed that large amounts of RubisCO were located outside of carboxysomes under the applied high light stress. RubisCO aggregated mainly underneath the cytoplasmic membrane. There it forms a putative Calvin-Benson-Bassham (CBB) super complex together with other enzymes of photosynthesis. This complex could be part of an alternative carbon-concentrating mechanism (CCM) in M. aeruginosa, which enables a faster, and energy saving adaptation to high light stress of the whole bloom. Furthermore, the re-localization of RubisCO was delayed in the microcystin-deficient mutant ΔmcyB and RubisCO was more evenly distributed over the cell in comparison to the wild type. Since ΔmcyB is not harmed in its growth, possibly other produced cyanopeptides as aeruginosin or cyanopeptolin also play a role in the stabilization of RubisCO and the putative CBB complex, especially in the microcystin-free mutant. In the second part of this work, the possible role of microcystin as an extracellular signaling peptide during the diurnal cycle was studied. HPLC analysis showed a strong increase of extracellular microcystin in the wild type when the population entered nighttime and it resumed into the next day as well. Together with the increase of extracellular microcystin, a strong decrease of protein-bound intracellular microcystin was observed via immunoblot analysis. Interestingly, the signal of the large subunit of RubisCO (RbcL) also diminished when high amounts of microcystin were present in the surrounding medium. Microcystin addition experiments to M. aeruginosa WT and ΔmcyB cultures support this observation, since the immunoblot signal of both subunits of RubisCO and CcmK, a shell protein of carboxysomes, diminished after the addition of microcystin. In addition, the fluctuation of cyanopeptolin during the diurnal cycle indicates a more prominent role of other cyanopeptides besides microcystin as a signaling peptide, intracellularly as well as extracellularly. N2 - Cyanobakterien können weltweit in einer Vielzahl von ökologischen Nischen gefunden werden. Sie stellen eine Gefahr für Eukaryoten wie Fische oder Säugetiere dar, und können auch die Nutzung von Seen oder Flüssen zu Erholungszwecken oder als Trinkwasserquelle beeinträchtigen, wenn sie an der Wasser-Luft Interphase Blüten bilden. Einer der häufigsten blütenbildenden Cyanobakterien ist der Stamm M. aeruginosa PCC7806, welcher in Cyanobakterienblüten auf der ganzen Welt gefunden werden kann. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Funktion und mögliche Dynamiken von RubisCO während der Bildung und Aufrechterhaltung von dicht gewachsenen Blüten untersucht. Dafür wurden Schwachlicht-adaptierte M. aeruginosa Zellkulturen Starklicht ausgesetzt und deren Reaktion auf dem Protein- und Peptidlevel analysiert. Verwendete Analysemethoden waren Western Blots, Immunofluoreszenz-mikroskopie und Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (HPLC). Es konnte aufgezeigt werden, dass unter der angewendeten Starklichtbehandlung große Mengen RubisCO außerhalb der Carboxysomen lokalisiert waren. Dabei konnte RubisCO hauptsächlich direkt unterhalb der zytoplasmatischen Membran in Form von Aggregaten nachgewiesen werden. Diese Aggregate sind möglicherweise Teil eines hypothetischen Calvin-Benson-Bassham Zyklus (CBB) Superkomplexes zusammen mit anderen Enzymen aus der Photosynthese. Dieser Komplex könnte Teil eines alternativen Kohlenstoff-Konzentrationsmechanismus in M. aeruginosa sein, welcher eine schnellere und energiesparendere Anpassung der Cyanobakterienblüte an Starklichtstress ermöglicht. Weiterhin erfolgte die Relokalisation von RubisCO in der Microcystin-freien Mutante ΔmcyB verzögert und RubisCO war homogener in der Zelle verteilt im Vergleich zum Wildtyp. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind im Einklang mit vorherigen Publikationen zu der Funktion von Microcystin als Schutz gegen Proteinabbau in Folge der Bindung von Microcystin an das jeweilige Protein. Da ΔmcyB im Wachstum nicht eingeschränkt war, scheint es möglich, dass andere Cyanopeptoline wie Aeruginosin oder Cyanopeptolin die stabilisierende Funktion von Microcystin gegenüber RubisCO und den hypothetischen CBB Komplex übernehmen, vor allem in der Microcystin-freien Mutante. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die mögliche extrazelluläre Funktion von Microcystin untersucht. HPLC-Analysen zeigen eine starke Zunahme an extrazellulärem Microcystin im Wildtyp als die Zellkultur in die Nachtphase übergegangen ist. Dieser Trend hat sich auch in den folgenden Tag hinein fortgesetzt. Zusammen mit der Zunahme an extrazellulärem Microcystin wurde eine starke Abnahme an proteingebundenem intrazellulärem Microcystin festgestellt, anhand von Western Blot-Untersuchungen. Interessanterweise verringerte sich die Signalstärke der großen Untereinheit von RubisCO (RbcL) im selben Zeitraum im Western Blot. Microcystin Zugabe-Experimente zu M. aeruginosa WT und ΔmcyB unterstützen diese Beobachtung, da das Western Blot-Signal für sowohl beide Untereinheiten von RubisCO als auch CcmK, ein Hüllenprotein der Carboxysomen, nach der Zugabe von Microcystin stark abnahm. Zusätzlich weist die Fluktuation des Cyanopeptolin-Signals während des Tag-Nacht Zyklus auf eine wichtigere Funktion von Cyanopeptiden abseits von Microcystin hin; als Signalpeptide, sowohl intrazellulär als auch extrazellulär. Diese Dissertation gibt neue Einsichten in Adaptionsprozesse von M. aeruginosa an Starklicht-Bedingungen. Der postulierte alternative Kohlenstoff-Konzentrations-mechanismus, welcher direkt unterhalb der zytoplasmatischen Membran stattfindet, gibt M. aeruginosa einen Vorteil gegenüber anderen Cyanobakterien, welche nur den in der Literatur anerkannten Carboxysomen-basierten Kohlenstoff-Konzentrations-mechanismus besitzen. Des Weiteren stärkt die vorliegende Arbeit die Hypothese, dass die eigentliche extrazelluläre Funktion von Microcystin die eines Signalstoffes ist, und nicht die eines antibiotischen Stoffes. KW - Cyanobacteria KW - Microcystis KW - Microcystin KW - RubisCO KW - Carbon concentrating mechanism KW - Cyanobakterien KW - Microcystin KW - Microcystis KW - Carboxysomen KW - Kohlenstoff-Konzentrationsmechanismus KW - RubisCO Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-508299 ER -