On the regulation of the metabolic shift and protein synthesis in Lactococcus Lactis

Het in dit proefschrift beschreven werk had als doelstelling de regulatie van het energiemetabolisme en eiwitsynthese in de melkzuurbacterie Lactococcus lactis beter te begrijpen. Deze bacterie werd gekozen vanwege zijn belangrijke rol in de zuivelindustrie. De leden van deze bacteriële soort groeien op melk en produceren o.a. melkzuur en peptiden (brokstukken van eiwitten), waardoor het melk kan omzetten in bijvoorbeeld yoghurt of kaas. Met een metabole verschuiving wordt bedoeld, de verandering van het ene type cellulaire metabolisme naar een andere als reactie op veranderende groeiomstandigheden. Afhankelijk van de hoeveelheid beschikbare suikers kan L. lactis groeien met verschillende snelheden. Bij lage groeisnelheid produceert L. lactis voornamelijk mierenzuur, azijnzuur en ethanol (de gemengde zuurfermentatie) en bij hoge groeisnelheid is melkzuur het voornaamste metabole eindproduct (homolactaatfermentatie). Om deze fermentatie producten te produceren heeft L. lactis verschillende sets van enzymen nodig en een ribosomenpool voor het synthetiseren van deze enzymen. De gestelde hypothese in dit proefschrift luidt dat afhankelijk van de eiwitten die verantwoordelijk zijn in de verschillende metabole reactiepaden, de investeringen in deze eiwitten (enzymen) variëren door de beschikbaarheid van substraat en daarmee van de groeisnelheid, hetgeen van invloed is op de metabole staat van de bacterie. Wij voerden tal van experimenten uit om de hypothese te testen. Onze analyses laten zien dat L. lactis een overcapaciteit aan enzymen heeft en ook de ribosomen (“eiwitsynthesefabrieken”) om deze enzymen te synthetiseren in stand houdt wanneer deze niet strikt noodzakelijk zijn. Deze enzymatische overcapaciteit geeft de cel de mogelijkheid om snel te reageren op veranderende voedselomstandigheden. In plaats van het variëren van de hoeveelheden van de enzymen en ribosomen, reguleert L. lactis de activiteiten ervan door gebruik te maken van verscheidene kleine moleculen. Onze resultaten laten zien dat de L. lactis bacterie altijd voorbereid is op situatie waarin het maximaal kan groeien en stoffen kan omzetten.The research work described in this thesis is aimed at understanding the regulation of metabolic shift in the lactic acid bacterium Lactococcus lactis. We choose to study this bacterium as it important for the dairy industry. Metabolic shift refers to a switch from one mode of cellular metabolism to another, which occurs in response to a change in growth conditions. Depending on the amount of available sugar, L. lactis can grow at different speed or growth rate. At low growth rates L. lactis produces mainly formate, acetate and ethanol (mixed-acid fermentation), while at high growth rates the major metabolic end-product is lactate (homolactic fermentation). In order to make these fermentation products it requires different set of enzymes and a pool of ribosomes to synthesize these enzymes. The hypothesis that we tested in this thesis states that depending on the proteins involved in the different metabolic pathway branches, investment of proteins (enzymes) varies with substrate availability and consequently growth rate, which alters the metabolic profile of the microorganism We performed detailed experiments to find out the reason behind this metabolic shift. Our analysis showed that the bacterium keeps a large capacity of both enzymes and ribosomes required to generate the fermentation products, to allow a rapid response when nutritional conditions change. Instead of changing the levels of different enzymes and ribosomes, lactis uses various small molecules to control their activity. Our results indicate that this bacterium is ever ready for fast growth