Metabolic adaptation of Sulfolobus acidocaldarius and Saccharolobus solfataricus to selected amino acids and carbohydrates

Die Archaeen Sulfolobus acidocaldarius und Saccharolobus solfataricus sind an heiße, saure Bedingungen durch einzigartige metabolische Merkmale angepasst. Diese Eigenschaften machen sie besonders interessant für die Bioprozessentwicklung. Jedoch existiert bis heute kein Prozessablauf, in dem ein Archaeon selbst zum Einsatz kommt. Um dieses Ziel zu erreichen, ist die Evaluierung archaealer Verwertung von biotechnologisch nutzbaren Substraten unerlässlich. Dementsprechend wurde in dieser Arbeit die metabolische Kapazität von S. acidocaldarius auf den zwei biotechnologisch relevanten Substraten Cellulose und Aminosäuren untersucht. Dabei wurden Metabolomanalysen zum Teil mit kooperativ erzeugten Transkriptomanalysen kombiniert. Im ersten Teil der Arbeit wurde für einen genetisch modifizierten Stamm von S. acidocaldarius die extrazelluläre Spaltung von Cellulose in Cellobiose nachgewiesen. Damit ist die Grundlage für weitere metabolische Optimierung von S. acidocaldarius hin zum Biokatalysator geschaffen. Im zweiten Teil wurde für S. acidocaldarius erstmals eine vergleichende Wachstums-, Metabolom- und Transkriptomanalyse auf einzelnen Aminosäuren und Aminosäurekombinationen durchgeführt. Dabei wurden Änderungen im Zentralstoffwechsel, Aminosäure-, Schwefelmetabolismus und in der Atmungskette festgestellt. Außerdem kam es während des Wachstums auf Aminosäuren zur Synthese und Sekretion von kurzkettigen, organischen Säuren, die analog zum oxidativen Teil der sogenannte Stickland- Reaktion gebildet werden. Entsprechende Reaktionswege wurden für S. acidocaldarius rekonstruiert. Experimentell wurde gezeigt, dass die Bildung bzw. Sekretion dieser Produkte vom Angebot anderer Kohlenstoffquellen abhängt. Weiterhin wurde erstmals die Metabolisierung von Pyroglutamat als einzige Kohlenstoffquelle durch einen Sulfolobales- Stamm nachgewiesen. Demnach unterscheidet sich S. acidocaldarius von S. solfataricus, wobei eine unterschiedliche 5-Oxoprolinase-Aktivität als Ursache postuliert wird. Im dritten Teil wurde für S. solfataricus der initiale Metabolismus von D-Mannose aufgeklärt, demnach eine Metabolisierung über Mannonolacton und Mannonat zu 2-Keto-3-Deoxygluconat erfolgt. Zusammenfassend bietet die vorliegende Arbeit neue Einblicke in die metabolische Adaptation von S. acidocaldarius an verschiedene Aminosäuren und zeigt Unterschiede zu S. solfataricus auf. Gleichzeitig wird das Potenzial von S. acidocaldarius als Biokatalysator in Aminosäure- oder Cellulose-haltigen Prozessabläufen aufgezeigt.The Archaea Sulfolobus acidocaldarius and Saccharolobus solfataricus are adapted to thermophilic, acidic conditions by unique metabolic properties. Therefore they represent potentially novel candidates for development of bioprocesses. Nevertheless a biotechnological system supplemented with an archaeon doesn't exist. First at all, in order to realize this goal, a valuation of archaeal metabolism of biotechnological relevant substrates must be performed. The focus of this work is the metabolic capacity of S. acidocaldarius on biotechnological relevant substrates such as cellulose and amino acids. In several experiments, metabolomic analyses are complemented by collaborative transcriptomic analyses. First the extracellular degradation of cellulose was demonstrated for a genetically modified strain of S. acidocaldarius. This result serves as a basis for further metabolic engineering of S. acidocaldarius as biocatalyst. Second a comparative analysis of growth, metabolome and transcriptome was performed during growth of S. acidocaldarius on single amino acids and amino acid combinations. Changes in the central metabolism, amino acid metabolism, sulfur metabolism and respiratory chain were detected. During growth on a mixture of amino acid S. acidocaldarius synthesized and secreted short chain organic acids, typical products of the oxidative branch of the Stickland reaction. Corresponding reactions were reconstructed for S. acidocaldarius. Experimental data showed the correlation of this products with the availability of other carbon sources. In addition this work represents the first description of pyroglutamate metabolism as sole carbon source by a Sulfolobales strain. Therefore S. acidocaldarius differs clearly from S. solfataricus due to a more effective 5-oxoprolinase activity. Moreover the initial D-mannose metabolism in S. solfataricus was reconstructed by stable isotope labeling. The data showed that the sugar is metabolized via formation of mannonolactone and mannonate to 2-keto-3-deoxygluconate. In summary this work provides novel insights in the metabolic adaptation of S. acidocaldarius during growth on different amino acids and reveals differences compared to S. solfataricus. This work highlights the potential of S. acidocaldarius as biocatalyst in amino acid or cellulose based processes