Implications of Microcystin Production in Microcystis aeruginosa PCC 7806

Effekte der Produktion von Microcystin in Microcystis aeruginosa PCC 7806

  • Cyanobacteria produce about 40 percent of the world’s primary biomass, but also a variety of often toxic peptides such as microcystin. Mass developments, so called blooms, can pose a real threat to the drinking water supply in many parts of the world. This study aimed at characterizing the biological function of microcystin production in one of the most common bloom-forming cyanobacterium Microcystis aeruginosa. In a first attempt, the effect of elevated light intensity on microcystin production and its binding to cellular proteins was studied. Therefore, conventional microcystin quantification techniques were combined with protein-biochemical methods. RubisCO, the key enzyme for primary carbon fixation was a major microcystin interaction partner. High light exposition strongly stimulated microcystin-protein interactions. Up to 60 percent of the total cellular microcystin was detected bound to proteins, i.e. inaccessible for standard quantification procedures. Underestimation of total microcystin contents when neglecting theCyanobacteria produce about 40 percent of the world’s primary biomass, but also a variety of often toxic peptides such as microcystin. Mass developments, so called blooms, can pose a real threat to the drinking water supply in many parts of the world. This study aimed at characterizing the biological function of microcystin production in one of the most common bloom-forming cyanobacterium Microcystis aeruginosa. In a first attempt, the effect of elevated light intensity on microcystin production and its binding to cellular proteins was studied. Therefore, conventional microcystin quantification techniques were combined with protein-biochemical methods. RubisCO, the key enzyme for primary carbon fixation was a major microcystin interaction partner. High light exposition strongly stimulated microcystin-protein interactions. Up to 60 percent of the total cellular microcystin was detected bound to proteins, i.e. inaccessible for standard quantification procedures. Underestimation of total microcystin contents when neglecting the protein fraction was also demonstrated in field samples. Finally, an immuno-fluorescence based method was developed to identify microcystin producing cyanobacteria in mixed populations. The high light induced microcystin interaction with proteins suggested an impact of the secondary metabolite on the primary metabolism of Microcystis by e.g. modulating the activity of enzymes. For addressing that question, a comprehensive GC/MS-based approach was conducted to compare the accumulation of metabolites in the wild-type of Microcystis aeruginosa PCC 7806 and the microcystin deficient ΔmcyB mutant. From all 501 detected non-redundant metabolites 85 (17 percent) accumulated significantly different in either of both genotypes upon high light exposition. Accumulation of compatible solutes in the ΔmcyB mutant suggests a role of microcystin in fine-tuning the metabolic flow to prevent stress related to excess light, high oxygen concentration and carbon limitation. Co-analysis of the widely used model cyanobacterium Synechocystis PCC 6803 revealed profound metabolic differences between species of cyanobacteria. Whereas Microcystis channeled more resources towards carbohydrate synthesis, Synechocystis invested more in amino acids. These findings were supported by electron microscopy of high light treated cells and the quantification of storage compounds. While Microcystis accumulated mainly glycogen to about 8.5 percent of its fresh weight within three hours, Synechocystis produced higher amounts of cyanophycin. The results showed that the characterization of species-specific metabolic features should gain more attention with regard to the biotechnological use of cyanobacteria.show moreshow less
  • Cyanobakterien produzieren etwa 40 Prozent der primären Biomasse auf der Welt aber auch giftige Peptide wie das leberschädigende Microcystin. Massenvorkommen, so genannte Blaualgenblüten, gefährden vielerorts regelmäßig die Trinkwasserversorgung. Diese Arbeit hatte zum Ziel, den Einfluss der Microcystinproduktion auf physiologische Abläufe in dem weit verbreiteten blütenbildenden Cyanobakterium Microcystis aeruginosa zu charakterisieren. Zum einen, wurde hierfür der Einfluss der Beleuchtungsintensität auf die Produktion von Microcystin und dessen Bindung an zelluläre Proteine ermittelt. Hierzu wurden etablierte Quantifizierungstechniken mit biochemischen Methoden kombiniert. RubisCO, das Schlüsselenzym zur primären Kohlenstofffixierung, war ein Hauptinteraktionspartner von Microcystin. Hohe Beleuchtungsintensität erhöhte die Menge von an Proteine gebundenem Microcystin. Bis zu 60 Prozent des gesamten zellulären Microcystins lag an Proteine gebunden vor, d.h. es wurde durch Standardquantifizierungsmethoden nichtCyanobakterien produzieren etwa 40 Prozent der primären Biomasse auf der Welt aber auch giftige Peptide wie das leberschädigende Microcystin. Massenvorkommen, so genannte Blaualgenblüten, gefährden vielerorts regelmäßig die Trinkwasserversorgung. Diese Arbeit hatte zum Ziel, den Einfluss der Microcystinproduktion auf physiologische Abläufe in dem weit verbreiteten blütenbildenden Cyanobakterium Microcystis aeruginosa zu charakterisieren. Zum einen, wurde hierfür der Einfluss der Beleuchtungsintensität auf die Produktion von Microcystin und dessen Bindung an zelluläre Proteine ermittelt. Hierzu wurden etablierte Quantifizierungstechniken mit biochemischen Methoden kombiniert. RubisCO, das Schlüsselenzym zur primären Kohlenstofffixierung, war ein Hauptinteraktionspartner von Microcystin. Hohe Beleuchtungsintensität erhöhte die Menge von an Proteine gebundenem Microcystin. Bis zu 60 Prozent des gesamten zellulären Microcystins lag an Proteine gebunden vor, d.h. es wurde durch Standardquantifizierungsmethoden nicht erfasst. Die Notwendigkeit, zur Quantifizierung des gesamten Microcystins die Proteinfraktion mit einzubeziehen, wurde auch in Freilandproben demonstriert. Die Entwicklung einer immunofluoreszenzbasierten Methode erlaubte die Unterscheidung von toxischen und nichttoxischen Microcystis-Kolonien in Freilandproben. Die starklichtinduzierte Interaktion von Microcystin mit Proteinen deutete auf einen möglichen Einfluss des Sekundärmetabolits auf den Primärstoffwechsel von Microcystis hin. Um dieser Frage nachzugehen, wurde ein umfassender GC/MS-basierter Versuch durchgeführt, um die Akkumulation von Metaboliten im Microcystin produzierenden Stamm Microcystis aeruginosa PCC 7806 und dessen microcystinfreier ΔmcyB-mutierten Variante vergleichen zu können. Es zeigte sich, dass Microcystin einen Einfluss auf die Akkumulation von 85 (17 Prozent) aller 501 detektierten Metaboliten unter erhöhter Beleuchtungsstärke hatte. Besonders die vermehrte Synthese osmotisch aktiver Substanzen in der ΔmcyB Mutante, verstanden als generelle Reaktion auf allgemeinen Stress, deutete auf eine Beteiligung von Microcystin in der metabolischen Justierung von Microcystis hin. Die Parallelanalyse des Modellstamms Synechocystis PCC 6803 offenbarte grundsätzliche metabolische Unterschiede zwischen verschiedenen Cyanobakterienspezies. Demnach produzierte Microcystis vor allem Kohlehydrate und Synechocystis eher Aminosäuren. Die GC/MS-basierten Ergebnisse wurden durch elektronmikroskopische Aufnahmen und die Quantifizierung von Speichermetaboliten gestützt. Innerhalb drei Stunden bewirkte Starklicht die Akkumulation von Glykogen in Microcystis auf ca. 8.5 Prozent des Frischgewichts, wohingegen Synechocystis mehr Cyanophycin produzierte. Die Ergebnisse zeigten, dass im Hinblick auf die biotechnologische Nutzung von Cyanobakterien, die Charakterisierung speziesspezifischer metabolischer Eigenschaften mehr Beachtung finden sollte.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sven Meissner
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-75199
Advisor:Elke Dittmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/01/19
Release Date:2015/04/23
Tag:Cyanobakterien; Microcystin
cyanobacteria; microcystin
Pagenumber:VII, 141
RVK - Regensburg Classification:WN 8120
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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