Eine systembiologische Sicht auf die Osmostressantwort von Bacillus subtilis

In its natural environment, the soil bacterium Bacillus subtilis permanently encounters nutrient limitations and increases in osmotic stress. The present study investigated the systems-wide response of B. subtilis to different simultaneously imposed stresses by combining chemostat experiments under conditions of carbon and nitrogen limitation, ionic and non-ionic osmotic stress and osmoprotection with multi-omics analyses of the transcriptome, proteome, metabolome and fluxome. Surprisingly, the flux through central carbon and energy metabolism is very robust under all conditions studied. The key to achieve this robustness is the increased production of several enzymes of central carbon metabolism to compensate for their reduced activity in the presence of high salt. A major response of the cell during osmotic stress is the production of the compatible solute proline through the concerted adjustment of multiple reactions around the 2-oxoglutarate node, which drives metabolism towards the precursor glutamate. Co-regulations between the individual cellular components under the investigated stress conditions indicate that the fine-tuning of the transcriptional and metabolic networks involves functional modules that outreach single pathways. Additionally, the work shortly describes the salinity-decoupled fed-batch production of the compatible solute ectoine in Corynebacterium glutamicum and the contribution of precursor amino acids of the aspartate family.Das Bodenbakterium Bacillus subtilis ist in seiner natürlichen Umgebung permanenten Schwankungen des Nährstoffangebots und osmotischem Stress ausgesetzt. Die vorliegende Arbeit untersucht die systemweite Anpassung von B. subtilis an verschiedene, gleichzeitig auftretende Umweltstresse. Dazu wurden Chemostatexperimente, die sowohl Kohlen- und Stickstofflimitierung, als auch osmotischen Stress und Osmoprotektion nachbilden, mit Analysen des Transkriptoms, Proteoms, Metaboloms und Fluxoms kombiniert. Überraschenderweise ist die metabolische Flussverteilung im zentralen Kohlenstoffwechsel unter allen untersuchten Bedingungen sehr rigide. Eine erhöhte Produktion wichtiger Enzyme des zentralen Kohlenstoffwechsels kompensiert deren reduzierte Aktivität in Gegenwart von hohen Salzkonzentrationen im Cytosol. Eine weitere Reaktion der Zelle auf erhöhten osmotischen Stress ist die verstärkte Synthese des kompatiblen Soluts Prolin. Dies wird ermöglicht durch eine abgestimmte Anpassung der Reaktionen bis zum 2-Oxoglutarat-Knoten, die den Kohlenstofffluss in Richtung des Vorläufers Glutamat treibt. Regulatorische Interaktionen innerhalb funktionaler Module ermöglichen dabei eine systemweite Feinabstimmung des metabolischen Netzwerks über einzelne Stoffwechselwege hinaus. Die Arbeit beschreibt weiterhin die erfolgreiche, Hochsalz-unabhängige Produktion des kompatiblen Soluts Ectoin mit Corynebacterium glutamicum und geht kurz auf die Rolle beteiligter Aminosäuren der Aspartatfamilie ein