Theoretical studies of Membrane Proteins : Properties, Prediction Methods and Genome-wide analysis

Membrane proteins are a large and important class of proteins. They are responsible for several of the key functions in a living cell, e.g. transport of nutrients and ions, cell-cell signaling, and cell-cell adhesion. Despite their importance it has not been possible to study their structure and organization in much detail because of the difficulty to obtain 3D structures. In this thesis theoretical studies of membrane protein sequences and structures have been carried out by analyzing existing experimental data. The data comes from several sources including sequence databases, genome sequencing projects, and 3D structures. Prediction of the membrane spanning regions by hydrophobicity analysis is a key technique used in several of the studies. A novel method for this is also presented and compared to other methods. The primary questions addressed in the thesis are: What properties are common to all membrane proteins? What is the overall architecture of a membrane protein? What properties govern the integration into the membrane? How many membrane proteins are there and how are they distributed in different organisms? Several of the findings have now been backed up by experiments. An analysis of the large family of G-protein coupled receptors pinpoints differences in length and amino acid composition of loops between proteins with and without a signal peptide and also differences between extra- and intracellular loops. Known 3D structures of membrane proteins have been studied in terms of hydrophobicity, distribution of secondary structure and amino acid types, position specific residue variability, and differences between loops and membrane spanning regions. An analysis of several fully and partially sequenced genomes from eukaryotes, prokaryotes, and archaea has been carried out. Several differences in the membrane protein content between organisms were found, the most important being the total number of membrane proteins and the distribution of membrane proteins with a given number of transmembrane segments. Of the properties that were found to be similar in all organisms, the most obvious is the bias in the distribution of positive charges between the extra- and intracellular loops. Finally, an analysis of homologues to membrane proteins with known topology uncovered two related, multi-spanning proteins with opposite predicted orientations. The predicted topologies were verified experimentally, providing a first example of "divergent topology evolution".

Ecology of an uncultured heterotrophic flagellate lineage: MAST-4

Programa de oceanografía

Biometanazione della frazione organica di rifiuti solidi urbani da raccolta indifferenziata mediante codigestione con refluo zootecnico o addizione di solfuro di sodio

Il presente elaborato è stato finalizzato allo sviluppo di un processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU oppure, in lingua inglese OFMSW, Organic Fraction of Municipal Solid Waste) provenienti da raccolta indifferenziata e conseguente produzione di biogas da impiegarsi per il recupero energetico. Questo lavoro rientra nell’ambito di un progetto, cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna attraverso il Programma Regionale per la Ricerca Industriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico (PRRIITT), sviluppato dal Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali (DICASM) dell’Università di Bologna in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Ferrara e con la società Recupera s.r.l. che applicherà il processo nell’impianto pilota realizzato presso il proprio sito di biostabilizzazione e compostaggio ad Ostellato (FE). L’obiettivo è stato la verifica della possibilità di impiegare la frazione organica dei rifiuti indifferenziati per la produzione di biogas, e in particolare di metano, attraverso un processo di digestione anaerobica previo trattamento chimico oppure in codigestione con altri substrati organici facilmente fermentabili. E’ stata inoltre studiata la possibilità di impiego di reattori con biomassa adesa per migliorare la produzione specifica di metano e diminuire la lag phase. Dalla sperimentazione si può concludere che è possibile giungere allo sviluppo di metano dalla purea codigerendola assieme a refluo zootecnico. Per ottenere però produzioni significative la quantità di solidi volatili apportati dal rifiuto non deve superare il 50% dei solidi volatili complessivi. Viceversa, l’addizione di solfuri alla sola purea si è dimostrata ininfluente nel tentativo di sottrarre gli agenti inibitori della metanogenesi. Inoltre, l’impiego di supporti di riempimento lavorando attraverso processi batch sequenziali permette di eliminare, nei cicli successivi al primo, la lag phase dei batteri metanogeni ed incrementare la produzione specifica di metano.

Starvation's role in plankton metabolism

[EN]Starvation at all scales of plankton from archaea to medusae is the prevailing condition in marine ecosystems. Such nutrient-limitation will shift the physiological state in these organisms with accompanying changes in their physiology and biochemistry. Here, we review our laboratory’s progress in documenting these changes associated with starvation in a range of marine organisms. Specifically, we focused on respiration, ammonium excretion, CO2 production, RQ, respiratory ETS activity, isocitrate dehydrogenase and glutamate dehydrogenase activity in the mysid, Leptomysis lingvura, a dinoflagellate, Oxyrrhis marina and two bacteria, Vibrio natriegens, and Pseudomonas nautica

Studio della subunità epsilon della DNA polimerasi III di Escherichia coli: stabilità e interazione con la subunità polimerasica

Faithful replication of DNA from one generation to the next is crucial for long-term species survival. Genomic integrity in prokaryotes, archaea and eukaryotes is dependent on efficient and accurate catalysis by multiple DNA polymerases. Escherichia coli possesses five known DNA polymerases (Pol). DNA polymerase III holoenzyme is the major replicative polymerase of the Escherichia coli chromosome (Kornberg, 1982). This enzyme contains two Pol III cores that are held together by a t dimer (Studwell-Vaughan and O’Donnell, 1991). The core is composed of three different proteins named α-, ε- and θ-subunit. The α-subunit, encoded by dnaE, contains the catalytic site for DNA polymerisation (Maki and Kornberg, 1985), the ε-subunit, encoded by dnaQ, contains the 3′→5′ proofreading exonuclease (Scheuermann, et al., 1983) and the θ-subunit, encoded by hole, that has no catalytic activity (Studwell-Vaughan, and O'Donnell, 1983). The three-subunit α–ε–θ DNA pol III complex is the minimal active polymerase form purified from the DNA pol III holoenzyme complex; these three polypeptides are tightly associated in the core (McHenry and Crow, 1979) Despite a wealth of data concerning the properties of DNA polymerase III in vitro, little information is available on the assembly in vivo of this complex enzyme. In this study it is shown that the C-terminal region of the proofreading subunit is labile and that the ClpP protease and the molecular chaperones GroL and DnaK control the overall concentration in vivo of ε. Two α-helices (comprising the residues E311-M335 and G339-D353, respectively) of the N-terminal region of the polymerase subunit were shown to be essential for the binding to ε. These informations could be utilized to produce a conditional mutator strain in which proofreading activity would be titrated by a a variant that can only bind e and that is polymerase-deficient. In this way the replication of DNA made by DNA Pol-III holoenzyme would accordingly become error-prone.

Symbiotische Mikroorganismen aus dem Termitendarm

Symbiotische Mikroorganismen aus dem Termitendarm Es ist eine bekannte Tatsache, dass die Hauptaufgabe der Darmflora der niederen Termite im Abbau von Holz liegt. Im Laufe der Millionen Jahre alten Entwicklung der Termiten hat sich in ihrem Darm ein Ökosystem aufgebaut, das aus Protozoen, Archaeen, Bakterien und Hefen besteht. Ziel der vorliegenden Arbeit war die teilweise Erforschung der symbiotischen Zusammenhänge in diesem ökologischen System. Es wurden dabei zwei Gebiete genauer untersucht: Cellulolytische Bakterien im Darm von niederen Termiten Die bisher vorherrschende Meinung sah in den Protozoen die Hauptkomponenten des Celluloseabbaus in Termiten. In dieser Arbeit gelang es 164 cellulolytische Bakterienstämme aus sieben niederen Termitenarten zu isolieren und zu identifizieren. Diese Vielzahl cellulolytischer Bakterienarten könnte ein Indiz dafür sein, dass Bakterien beim Holzabbau von Termiten eine effizientere Rolle spielen als angenommen. Oberflächenbakterien von Mixotricha paradoxa, einem Flagellaten aus dem Darm der niederen Termite Mastotermes darwiniensisMixotricha paradoxa ist ein Beispiel der seltenen Form einer Bewegungssymbiose zwischen Protozoen und Bakterien. Der Flagellat wird von Spirochäten, die auf seiner Oberfläche befestigt sind, vorangetrieben. Zusätzlich leben noch stäbchenförmige Bakterien auf der Hülle. Drei Spirochätenarten und das stäbchenförmige Bakterium konnten identifiziert und lokalisiert werden. Es wird angenommen, dass alle drei Spirochätenarten Mitglieder der Bewegungssymbiose sind.

Charakterisierung von S-Layer-Proteinen bei Prokaryoten

S-Layer sind kristalline Proteinschichten, die als Komponenten von Zellwänden in allen Zweigen der Bakterien und Archaebakterien vorkommen. Aus der Domäne der Archaea wurden die S-Layer-Proteine mesophiler, thermophiler und hyperthermophiler Methanococcales verglichen. Die Zellwand dieser Organismen besteht nur aus einer S-Layerschicht, die die Zellen vor äußeren Einflüssen schützt. Analog zu den Methanococcales wurden S-Layer-Proteine mesophiler und thermophiler Vertreter aus der Familie der Bacillaceae verglichen.Ziel dieser Arbeit war es, die S-Layer-Gensequenzen von Methanotorris igneus, Methanothermococcus thermolithotrophicus, Methanococcus vannielii, Geobacillus stearothermophilus, Bacillus sphaericus und Bacillus fusiformis zu ermitteln. Durch Vergleiche der Primärsequenzen mesophiler und (hyper)thermophiler S-Layer-Proteine sollten Hinweise auf thermostabilisierende Faktoren abgeleitet werden. Durch Verwendung geeigneter bio-chemischer und gentechnischer Arbeitsmethoden wurden die Gen- und Proteinsequenzen der S-Layer-Proteine ermittelt. Die unbekannten Genbereiche wurden durch die Entwicklung einer modifizierten Zwei- und Drei-Schritt-PCR ermittelt.Die Sequenzanalyse der archaebakteriellen und bakteriellen S-Layer-Proteine erbrachte nur für erstere Hinweise auf thermostabilisierende Faktoren. Die (hyper)thermophilen S-Layer-Hüllproteine aus der Ordnung Methanococcales zeigten gegenüber den mesophilen folgende Unterschiede:1. Zunahme von geladenen Resten;2. Abnahme von Alanin und unpolaren Resten3. Vorhandensein von Cystein4. Erhöhte Anzahl an N-glykosidischen BindungsstellenDas hyperthermophile S-Layer-Protein von Mcc. jannaschii wurde in Escherichia coli erfolgreich expremiert. Für das native Hüllprotein wurde, als ein möglicherweise weiterer thermostabilisierender Faktor eine Glykosilierung detektiert. Zudem wies das native S-Layer-Protein eine Konformationsänderung im Verlauf einer Temperaturerhöhung, bei verschiedenen pH-Werten und in Anwesenheit zweiwertigen Mangans auf. Auch das Expressionsprotein zeigte im Verlauf der Temperaturerhöhung und bei verschiedenen pH-Werten eine Konformationsänderung. Mn2+ hatte dagegen keinen Effekt und eine Glykosi-lierung war nicht nachweisbar.Die transkriptionellen und translationellen Erkennungsregionen der S-Layer-Gene aus der Ordnung Methanococcales wurden bestimmt. Basierend auf Sequenzähnlichkeiten und Gemeinsamkeiten der archaebakteriellen S-Layer-Proteine wurden diese in vier Gruppen eingeteilt.Aus dem bakteriellen Zweig wurde die Gen- und Primärsequenzen der S-Layer-Proteine von Gb. stearothermophilus DSM 2358, B. sphaericus DSM 396, B. fusiformis B3 und DSM 2898T ermittelt. Die Proteine wiesen z. T. eine geringere molekulare Masse auf als die be-kannten S-Layer-Hüllproteine aus der Familie der Bacillaceae. Das Protein von B. sphaericus DSM 396 zeigte eine Diskrepanz zwischen der theoretischen (85 kDA) und experimentell (120 kDa) ermittelten Molmasse. Erstmals wurde für die S-Layer-Proteine von B. fusiformis B3 und DSM 2898T eine vermutliche Dimerbildung festgestellt. Basierend auf den N-terminalen Sequenzähnlichkeiten wurden die S-Layer-Proteine aus der Familie der Bacillaceae in vier Gruppen eingeteilt.

Isolierung und Charakterisierung von Spirochaeten aus dem Termitendarm

Termiten beherbergen in ihrem Darm eine einzigartige Flora aus Bakterien, Archaeen, Flagellaten und Hefen. Diese symbiontische mikrobielle Gemeinschaft ist am Abbau von komplexen organischen Verbindungen beteiligt und ermöglicht es den Termiten schwer abbaubares Material wie Holz als Nahrungsquelle zu nutzen. Spirochaeten, eine Gruppe beweglicher Bakterien die sich durch ihre besondere Morphologie und Art der Fortbewegung von allen anderen Mikroorganismen abgrenzen lassen, gehören zu den häufigsten Bakterien im Termitendarm. Ziel der Arbeit war die Isolierung und Charakterisierung bislang unbekannter Spirochaeten aus Termitendärmen. Aus drei niederen Termitenarten konnten sechs spirochaetale Stämme gewonnen und identifiziert werden. Die Isolate ließen sich anhand der 16S rRNA Gensequenzen den Gattungen Treponema und Spirochaeta zuordnen. Im Gegensatz zu allen bislang charakterisierten Spirochaeten zeigte der Stamm SPN1 aus der Termite Neotermes castaneus eine kokkoide Zellform und war unbeweglich. Der Organismus wurde daher als neue Art, Spirochaeta coccoides sp. nov., beschrieben. Bei allen gewonnenen Isolaten handelt es sich um strikt anaerobe Organismen die verschiedene Mono-, Di- und Oligosaccharide fermentieren. Als wesentliche Stoffwechselprodukte konnten Acetat und Ethanol (sowie Formiat bei einem Stamm) identifiziert werden. Weiterhin konnten bei den untersuchten Stämmen eine Reihe von enzymatischen Aktivitäten nachgewiesen werden, die für den Abbau von Lignocellulose im Termitendarm von Bedeutung sind. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Spirochaeten eine wichtige Rolle bei der Fermentation von Abbauprodukten der Lignocellulose im Termitendarm spielen.

Biomimese biologischer Membranen: Konzeptionierung, Synthese und biophysikalische Charakterisierung einer Hierarchie festkörpergestützter Mimikry biologischer Membranen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei neue Modelle zur funktionellen Mimiese biologischer Membranen im Bereich der Bionanotechnologie entwickelt. Um den Rahmen der notwendigen Faktoren und Komponenten für biomimetische Membranmodelle abzustecken, wurde das biologische Vorbild im Bezug auf Zusammensetzung, Organisation und Funktion analysiert. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse erlauben das Erreichen von biologisch relevanten Membranwiderständen im Bereich von mehreren MOhm cm2 und eine gute lokale Fluidität. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Hierachie unterschiedlich stark von der Festkörperoberfläche entkoppelter Membranen zur Vergrößerung des submembranen Raumes. Diese Ziele konnten realisiert werden. Das auf archaealen Etherlipiden basierende DPTL-System wurde analog dem biologischen Vorbild stereoselektiv synthetisiert und ist in der Lage die Membran bei maximaler Elongation des TEG-Spacers mit mehr als 2 nm von der Oberfläche zu entkoppeln. Die erzielten Wiederstände liegen im hohen ein- bis zweistelligen MOhm-Bereich, die Kapazität entspricht mit 0,5 µF cm-2 ebenfalls dem Wert biologischer Membranen. Die Membraneigenschaften wurden mit Hilfe von SPS, EIS, IR-Spektroskopie, QCM, AFM und Kontaktwinkelmessungen charakterisiert. Die Funktionalität und lokale Fluidität der DPTL-Membran konnte anhand des Valinomycin vermittelten K+-Transports über die Membran gezeigt werden. Fluide Elektroden oder laterale Verdünnung mit TEGL erlauben den Einbau größerer Ionenkanäle. Lipo-Glycopolymere (LGP) mit unterschiedlichen Kettenlängen wurden mit Hilfe der kontrollierten radikalischen Polymerisation mit einer PD < 1.2 synthetisiert. Es zeigte sich, daß die Vororientierung der LGPs auf dem LB-Trog, gefolgt von einem LB-Übertrag auf einen funktionalisierten Träger mit photoreaktivem SAM, nach Belichten des Systems zu einer verlässlichen kovalenten Anbindung der supramolekularen LGP-Architektur führt. Da die Lipo-Glycopolymerketten am Glycopolymerterminus nur mit oberflächennahen Repetiereinheiten an die photoaktivierte Oberfläche binden, sind sie in der Lage Oberflächenrauhigkeiten des Festkörpersubstrates auszugleichen. Die photochemische Immobilisierung von funktionell orientierten supramolekularen LGP-Architekturen auf Goldoberflächen resultiert in tBLMs mit großen vertikalen Enkopplungen der Membran von der Festkörperoberfläche (>8 nm). Der funktionelle Ionentransport von Kaliumionen durch Valinomycin zeigt eine ausreichende lokale Fluidität der Membran die mit einem guten Membranwiderstand (mehrere MOhm) kombiniert ist. Große Membran-Oberflächenentkopplungen konnten mit Hilfe plasmapolymerisierter elektrophiler Polymere erreicht werden. Filmdicken von 50 nm sind mit homogener Oberfläche und Rauhigkeiten im Bereich von Nanometern möglich. Das System zeigt interessante fluide Eigenschaften mit guten Erholungsraten bei FRAP-Experimenten (Diffusionskonstanten von etwa 17 mikro m2 s-1). Die elektrischen Eigenschaften liegen mit Widerständen von wenigen kOhm unterhalb der für gute Membranmimikrie notwendigen Werte. Erstmalig konnte gezeigt werden, daß mit Hilfe dieser Methode inerte Polymere/Plastikträger (zum Beispiel Polypropylen und TOPAS) in effizienter Weise kovalent mit reaktiven Polymeroberflächen modifiziert werden können (Anwendung als DNA-Chip ist beschrieben).

Caratteristiche geochimiche di camini carbonatici legati ad emissioni di gas metano in ambiente di piattaforma

L’emissione spontanea di fluidi profondi in superficie è stata storicamente oggetto d’interesse, soprattutto per le informazioni che può fornire per l’esplorazione d’idrocarburi presenti in diverse tipologie di reservoirs associati a tale fenomeno. In questo lavoro di tesi è stato esplorato il fenomeno legato all’emissione spontanea di fluidi ricchi di metano in ambiente sottomarino che genera la precipitazione di carbonati autigeni metano-derivati (MDAC), come conseguenza dell’ossidazione anaerobica del metano da parte di consorzi formati da batteri solfato-riducenti e Archaea. In particolar modo sono state studiate le caratteristiche geochimiche e mineralogiche di una concrezione carbonatica (camino EN5) fossile campionata nell’Appennino settentrionale e dei sedimenti incassanti, che sono peliti di ambiente di piattaforma continentale. Questo perché è stato dimostrato che le concrezioni carbonatiche possono avere relazioni con i sedimenti in cui sono contenute. La scansione XRD ha evidenziato che il camino è composto all’80% da dolomite, poi contiene quarzo, plagioclasi e calcite ma soltanto nella fascia esterna (a contatto con il sedimento). Il sedimento invece è composto da quarzo, plagioclasi (in quantità maggiori rispetto al camino), calcite (di origine biogenica) e dolomite soltanto in tracce. L’analisi elementare del TOC mostra una concentrazione media di 0,5% comune sia al camino sia al sedimento. Le concentrazioni assolute degli altri elementi investigati sono minori nel camino che nei sedimenti, anche se i valori normalizzati all’Al mostrano un arricchimento di alcuni elementi nella parte interna del camino. Questo studio ha permesso di stabilire che la formazione di carbonati autigeni metano-derivati in un ambiente di piattaforma, è possibile solo quando sono presenti le giuste condizioni sedimentarie e un flusso di metano piuttosto intenso. Inoltre la formazione dei carbonati non risente, se non in minima parte, della composizione dei sedimenti ospitanti, ma è regolata dai processi accoppiati di solfato-riduzione e ossidazione del metano.

Mikrobiologie der Fermentation in NawaRo-Biogasanlagen unter besonderer Berücksichtigung des Abbaus von Propionsäure

In NawaRo-Biogasanlagen (BGA) kann es durch das Angebot an leicht fermentierbaren Kohlenstoff¬quel¬len zu einer bakteriell bedingten Übersäuerung durch unerwünschte kurzkettige Fettsäuren kommen. Häufiger kommt es zur Akkumulation von Propionsäure. Methanogene Archaea können bei niedrigen pH-Werten nicht mehr wachsen. Somit kann der gesamte Prozess der mikrobiellen Bildung von Biogas zum Erliegen kom¬men, was für die Biogasbetreiber zu erheblichen finanziellen Verlusten führt. Das Ziel dieser Disserta¬tion war die Aufklärung der anaeroben bakteriellen Population, die in Biogasanlagen Propionsäure ab¬bauen kann. Aus Propionat entsteht dabei Acetat und Wasserstoff. Da dieser anaerobe Prozess endergon verläuft, kann Propionsäure anaerob nur abgebaut werden, wenn der Wasserstoffpartialdruck niedrig ge¬halten wird. Diese Aufgabe erfüllen in Biogasanalgen methanogene Archaea. Die sog. sekundären Gärer leben somit in synthropher Kultur mit methanogenen Archaea.rnIn dieser Arbeit wurden die Mikroorganismen von Propionsäure-abbauenden Anreicherungskulturen aus vier NawaRo-BGA‘s identifiziert und ihr Substrat- und Produktspektrum analysiert. Die Anreicherungskul¬turen wurden vom Prüf- und Forschungsinstitut e. V. in Pirmasens zur Verfügung gestellt. Durch Analyse der bakteriellen 16S rDNA-Sequenzen der erhaltenen stabilen Propionsäure-abbauenden Mischkulturen wurde gezeigt, dass sich unter den Bakterien hauptsächlich Verwandte von den Clostridiales, aber auch Bacteroides sp., δ-, ε- so¬wie γ-Proteobakterien, Spirochäten, Synergistales und ungewöhnlicher Weise auch Thermotogales befanden. Aus Propionsäure-abbauenden Mischkulturen und aus Fermentern mesophiler NawaRo-Biogasanlagen wurden anaerobe Bakterien und methanogene Archaea angereichert und isoliert. Es wurden aus den Propionsäure-abbauenden Mischkulturen Stämme in Reinkultur erhalten, die entsprechend der 16S rDNA-Analyse als Clostridium sartagoforme Stamm Ap1a520 und Proteiniphilum acetatigenes Stamm Fp1a520 identifiziert wurden. Sowohl aus Fermentern und Nachgärern von drei NawaRo-BGA‘s als auch aus zwei Laborfermentern des Leibniz-Instituts für Agrartechnik in Potsdam-Bornim e.V. (ATB) wurden Reinkulturen von methanogenen Archaea erhalten. Diese konnten den Species Methanobacterium formicicum, Metha¬noculleus bourgensis, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, Methanosarcina sp., Methanosaeta concilii und Methanomethylovorans sp. zugeordnet werden. Damit wurden in dieser Arbeit unter anderem die typischen bisher nur durch molekularbiologische Methoden identifizierten Species methanogener Ar¬chaea aus unterschiedlichen Fermentern in Reinkultur erhalten. Dabei wurde gezeigt, dass die specifically amplified polymorphic DNA-PCR (SAPD-PCR) eine geeignete Methode darstellt, Stämme der gleichen Art methanogener Archaea voneinander zu unterscheiden. Die Methanproduktion der kultivierten methanoge¬nen Archaea wurde gaschromatographisch analysiert. Es zeigte sich, dass die hydrogenotrophe Metha¬nogenese der effizientere und ergiebigere Weg zur Bildung von Methan ist. Mit der Bestimmung der Zellzahl des Isolates Methanoculleus bourgensis Stamm TAF1.1 bei gleichzeitiger Messung der Methanbildung wurde gezeigt, dass die Methanbildung nicht zwangsläufig mit dem Wachstum korreliert. Ne-ben Pflanzenfasern beinhalteten das hergestellte Reaktorfiltrat in den Kultivierungsansätzen Acetat, die essentielle Aminosäure Valin und den Zuckeralkohol Glycerol. Gezielte Misch¬kul¬turen von sekundären Gärern mit methanogenen Isolaten ergaben einen fördernden Einfluss auf diese Bak¬terien durch hydrogenotrophe Archaea. Diese Bakterien bauten Substrate ab oder bildeten Produkte, die sie unter den gegebenen Bedingungen ohne hydrogenotrophe Archaea nicht umsetzen konnten.

Propionsäureabbau in NawaRo-Biogasanlagen

Die Energiewende ist begleitet von dem Ausbau erneuerbarer Energien. Dabei spielt die Energiegewinnung aus Biomasse eine wichtige Rolle. Der optimale Betrieb einer Biogasanlage erfordert eine stabile Methanproduktion, welche jedoch durch die Akkumulation von Propionsäure nachhaltig gestört werden kann. Aus diesem Grund ist der mikrobielle Abbau dieser Substanz von besonderem Interesse. Die Thermodynamik des anaeroben bakteriellen Abbaus von Propionsäure erfordert die syntrophe Verwertung des entstehenden Wasserstoffs durch Wasserstoff-verbrauchende Mikroorganismen, beispielsweise methanogene Archaea.rnMit dem Ziel, die Erkenntnislage der Propionat-Verwertung in NawaRo-Biogasanlagen zu erweitern, sollten Propionat-verwertende Anreicherungskulturen aus NawaRo-Biogasanlagen etabliert, charakterisiert und molekularbiologisch analysiert werden.rnAus landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden reproduzierbar Propionat-verwertende Anreicherungskulturen mittels anaerober Kultivierungstechniken etabliert. Die anaerob Propionat-verwertende Aktivität der Kulturen blieb über Jahre erhalten und konnte unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert werden. Die Analyse der sukzessiven Diversität von vier Anreicherungskulturen ermöglichte einen Einblick in die sich während der Propionat-Verwertung sukzessiv verändernde mikrobielle Diversität. Dabei wurden die aus der 16S rDNA-Analyse resultierenden Sequenzcluster MP-1 (Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp.), MP-6 und MP-15 (beide ''Candidatus Cloacamonas sp. ''), sowie MP-9 (Syntrophobacter sulfatireducens) als potentiell Propionat-verwertende Schlüsselspezies identifiziert. Mit S. sulfatireducens wurde eine bekannte syntroph Propionat-verwertende Spezies gefunden. Die Sequenzen von MP-1 waren nahe verwandt mit Pelotomaculum schinkii, ebenfalls eine beschriebene syntroph Propionat-verwertende Spezies. Bei dem nächsten Verwandten der Cluster MP-6 und MP-15 handelte es sich um ''Candidatus Cloacamonas acidaminovorans'', eine bisher unkultivierbare Spezies, dessen Genom für den gesamten Abbauweg der syntrophen Propionat-Oxidation codiert. Syntrophobacter sulfatireducens kam zusammen mit Vertretern der methanogenen Gattungen Methanoculleus, Methanosaeta und Methanomethylovorans vor. Als methanogener Partner von Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp. dominierte die Gattung Methanosarcina. Aufgrund der starken Präsenz der syntroph Acetat oxidierenden Spezies Tepidanaerobacter acetatoxydans (Sequenz-Cluster MP-3), sowie potentiell homoacetogener Arten, wurde zudem ein theoretischer Zusammenhang der Propionat-Verwertung mit der syntrophen Acetat-Oxidation und der autotrophen Homoacetogenese vorgeschlagen.rn

Avoidance of Long Mononucleotide Repeats in Codon Pair Usage

Protein is an essential component for life, and its synthesis is mediated by codons in any organisms on earth. While some codons encode the same amino acid, their usage is often highly biased. There are many factors that can cause the bias, but a potential effect of mononucleotide repeats, which are known to be highly mutable, on codon usage and codon pair preference is largely unknown. In this study we performed a genomic survey on the relationship between mononucleotide repeats and codon pair bias in 53 bacteria, 68 archaea, and 13 eukaryotes. By distinguishing the codon pair bias from the codon usage bias, four general patterns were revealed: strong avoidance of five or six mononucleotide repeats in codon pairs; lower observed/expected (o/e) ratio for codon pairs with C or G repeats (C/G pairs) than that with A or T repeats (A/T pairs); a negative correlation between genomic GC contents and the o/e ratios, particularly for C/G pairs; and avoidance of C/G pairs in highly conserved genes. These results support natural selection against long mononucleotide repeats, which could induce frameshift mutations in coding sequences. The fact that these patterns are found in all kingdoms of life suggests that this is a general phenomenon in living organisms. Thus, long mononucleotide repeats may play an important role in base composition and genetic stability of a gene and gene functions.

Alba-domain proteins of Trypanosoma brucei are cytoplasmic RNA-binding proteins that interact with the translation machinery

Trypanosoma brucei and related pathogens transcribe most genes as polycistronic arrays that are subsequently processed into monocistronic mRNAs. Expression is frequently regulated post-transcriptionally by cis-acting elements in the untranslated regions (UTRs). GPEET and EP procyclins are the major surface proteins of procyclic (insect midgut) forms of T. brucei. Three regulatory elements common to the 3' UTRs of both mRNAs regulate mRNA turnover and translation. The glycerol-responsive element (GRE) is unique to the GPEET 3' UTR and regulates its expression independently from EP. A synthetic RNA encompassing the GRE showed robust sequence-specific interactions with cytoplasmic proteins in electromobility shift assays. This, combined with column chromatography, led to the identification of 3 Alba-domain proteins. RNAi against Alba3 caused a growth phenotype and reduced the levels of Alba1 and Alba2 proteins, indicative of interactions between family members. Tandem-affinity purification and co-immunoprecipitation verified these interactions and also identified Alba4 in sub-stoichiometric amounts. Alba proteins are cytoplasmic and are recruited to starvation granules together with poly(A) RNA. Concomitant depletion of all four Alba proteins by RNAi specifically reduced translation of a reporter transcript flanked by the GPEET 3' UTR. Pulldown of tagged Alba proteins confirmed interactions with poly(A) binding proteins, ribosomal protein P0 and, in the case of Alba3, the cap-binding protein eIF4E4. In addition, Alba2 and Alba3 partially cosediment with polyribosomes in sucrose gradients. Alba-domain proteins seem to have exhibited great functional plasticity in the course of evolution. First identified as DNA-binding proteins in Archaea, then in association with nuclear RNase MRP/P in yeast and mammalian cells, they were recently described as components of a translationally silent complex containing stage-regulated mRNAs in Plasmodium. Our results are also consistent with stage-specific regulation of translation in trypanosomes, but most likely in the context of initiation.