Sugar metabolism in archaea: Analyses of allosteric regulation of pyruvate kinases and degradation of the deoxy sugar L-rhamnose.

In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Fragestellungen zum Zuckerstoffwechseln in Archaeen untersucht. Zum einen wurde die allosterische Regulation von archaeellen Pyruvat Kinasen (PKs) sowie deren Evolution analysiert. Zum anderen wurde der Abbau des Desoxy-Zuckers L-Rhamnose in halophilen und hyperthermophilen Archaeen untersucht: PKs aus Bacteria und Eukarya werden durch Fructose-1,6-Bisphosphat oder AMP allosterisch aktiviert. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass 3-Phosphoglycerat (3PG) ein neuartiger allosterischer Aktivator der PKs von hyperthermophilen Archaeen der Ordnung Thermoproteales ist. Außerdem wurde ein 3PG-Bindemotiv identifiziert, mit dem es möglich ist Vorhersagen über die allosterische Aktivierbarkeit von PKs mit 3PG zu treffen. Für die PKs aus hyperthermophilen methanogenen Archaeen wurde eine allosterische Aktivierung durch den klassischen Aktivator AMP nachgewiesen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, dass das halophile Euryarchaeon Haloferax volcanii Rhamnose über einen ABC-Transporter aufnimmt und oxidativ über einen Diketo-Hydrolase Weg zu Pyruvat und L-Lactat abbaut. Die Transkription der Gene der Rhamnose-Aufnahme und des –Abbaus werden durch den Transkriptionsregulator RhcR aktiviert. Ein Intermediat des Rhamnose-Abbaus wurde als Signalmolekül von RhcR identifiziert. Die Untersuchungen umfassen die Charakterisierung der entsprechenden Enyzme, Transkriptionsanalysen der beteiligten Gene sowie Wachstumsexperimente mit Knockout Mutanten. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Diketo-Hydrolase Weg auch von den hyperthermophilen Crenarchaeota Vulcanisaeta distributa und Sulfolobus solfataricus für den Abbau von Rhamnose verwendet wird.In this thesis two questions concerning the sugar metabolism in archaea have been analysed. First, the allosteric regulation of archaeal pyruvate kinases (PKs) and their evolution were studied. Second, the degradation of the deoxy sugar L-rhamnose in halophilic and hyperthermophilic archaea was analysed: PKs from bacteria and eukarya are allosteric enzymes activated by fructose-1,6-bisphosphate or AMP. In this work, it is shown that PKs from hyperthermophilic archaea of the order Thermoproteales are allosterically activated by the novel effector 3-phosphoglycerate (3PG). A 3PG-binding motif could be identified, which allows to predict the allosteric regulation of PKs by 3PG. PKs from hyperthermophilic methanoarchaea were found to be activated by AMP, the classical activator from bacteria. In the second part of this work, it is shown that the halophilic euryarchaeon Haloferax volcanii takes up rhamnose by an ABC transporter and degrades rhamnose oxidatively to pyruvate and L-lactate via the diketo-hydrolase pathway. The genes involved in rhamnose uptake and degradation form a gene cluster, whose transcription is regulated by the transcriptional activator RhcR. An intermediate of rhamnose degradation was identified as the inducer molecule of RhcR. The study includes characterization of the respective enzymes, transcriptional analyses of involved genes and growth experiments with knockout mutants. Further, it is shown that the hyperthermophilic crenarchaeota Vulcanisaeta distributa and Sulfolobus solfataricus also degrades rhamnose via the diketo-hydrolase pathway