title: Das marine Dimethylpropionat als protektives Osmolyt und die Evolutionverwandter ABC Transporter für die Aufnahme von kompatiblen Soluten
title: The marine dimethylsulfoniopropionate (DMSP)ass protective osmolyte and the evolution of related ABC transporters for the assimilation of compatible solutes
Creators: name: Broy, Sebastian
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Dimethylpropionat
Ddimethylsulfoniopropionate
DMSP
Biowissenschaften, Biologie

description: The tertiary sulfonium compound
      dimethylsulfoniopropionate (DMSP) is produced in vast amounts
      by marine macroalgae and phytoplankton and also by a
      restricted number of plants. These organisms used DMSP as a
      stress protectant and upon cell lysis or viral infection DMSP
      can be released into open ocean water. It is an integral
      constituent of the global sulfur cycle and DMSP is the
      precursor of the climatically active gas DMS. Members of the
      genus Bacillus can colonize a great variety of ecosystems and
      certainly have access to DMSP. In B. subtilis the protection
      against abiotic stress are well characterized, but it is
      unknown whether it catabolizes DMSP and/or can derived stress
      protection from DMSP. With a well characterized set of B.
      subtilis strains has been found, that DMSP is not a nutrient
      for B. subtilis, but it served as an excellent stress
      protectant against salt, cold and heat challenges. Also its
      natural selenium and synthetetic derivatives served as
      osmostress and partially cold stress protectant, but DMSP was
      the more effective stress protectant. DMSP and its
      derivatives influenced the size of the osmostress-adaptive
      proline pool and reduced the salt-induced expression of the
      opuA operon. DMSP uptake by osmotically and
      temperaturestressed B. subtilis cells are mediated by the ABC
      transporter OpuA and OpuC. The OpuC transporter was the main
      transporter not only for DMSP uptake, but also for its
      natural and synthetic derivatives. The ABC transporter OpuC
      is a remarkable osmolyte import system, because its substrat
      specificity is extremely broad. In contrast, the related OpuB
      transporter exhibited transport activity only for choline.
      The OpuB transporter were developed due a gene dublication
      event out of the OpuC transporter. With bioinformatics
      assessment, site-directed mutagenesis and crystallographic
      studies were the molecular determents of the ligand
      binding-site characterized.
description: Die tertiäre Schwefelverbindung
      Dimethylsulfoniopropionat (DMSP) wird von marinen Organismen
      (z. B. Algen) und wenigen Landplanzen in hohen
      intrazellulären Konzentrationen synthetisiert und weltweit
      werden jährlich 109 Tonnen hergestellt. DMSP dient den
      Produzenten als Osmolyt und gelangt z. B. durch Lyse der
      Zellen in Folge einer viralen Infektion ins Meerwasser. DMSP
      ist als Vorläufermolekül von Dimethylsulfid (DMS) ein
      wichtiger Bestandteil des globalen Schwefelkreislaufes und
      nimmt indirekt Einfluss auf das weltweite Klima. Mitglieder
      der Gattung Bacillus kolonisieren eine Vielzahl
      unterschiedlicher Habitate (u. a. marine Sedimente) und haben
      daher Zugang zu DMSP. Eines der best untersuchten
      Mikroorganismen aus der Gattung Bacillus ist B. subtilis. Ein
      Forschungsschwerpunkt von B. subtilis liegt auf seiner
      Anpassungsfähigkeit (z. B. Osmoregulation) und Adaption an
      sich stetig verändernde Umweltbedingungen. Mit einem
      definierten Set von B. subtilis Stämmen wurden die
      protektiven Eigenschaften von DMSP als kompatibles Solute bei
      Salz-, Kälte - und Hitzestress aufgedeckt. DMSP wird von B.
      subtilis nicht verstoffwechselt, sondern dient einzig als
      kompatibles Solut. Auch natürliche und synthetische Derivate
      zeigten Osmoprotektion und teilweise Kälteprotektion bei
      gestressten B. subtilis Zellen. Wie bereits für andere
      kompatible Solute gezeigt wurde nimmt auch DMSP und seine
      Derivate Einfluss auf die de novo Synthese des
      intrazellulären Prolin Pools und auf das osmotisch induzierte
      opuA Operon. DMSP und seine Derivate reprimieren die
      Expression der Gene für die Prolinbiosynthese und die
      Expression des OpuA Transporters bei hoher Osmolarität des
      Wachstumsmediums. Die Akkumulation von DMSP in allen
      Stressbedingungen erfolgte über die ABC Transporter OpuA und
      OpuC, wobei sich OpuC als Hauptransporter von DMSP und seinen
      Derivaten herausstellte. Der OpuC Transporter besitzt ein
      breites Spektrum an kompatiblen Soluten die durch das
      extrazelluläre Subtratbindeprotein (SBP) OpuCC gebunden
      werden. Mit Bindungsassays und einem in silico Modell konnte
      die Bindung von DMSP charakterisiert werden. Die
      Subtratspezifität des OpuC Transporters ist bemerkenswert,
      während der OpuB Transporter nur Cholin transportiert. Der
      OpuB Transporter ist aus einer Genduplikation des OpuC
      Transporters im Laufe der Evolution enstanden und hat sich
      auf die Aufnahme von Cholin spezialisiert. Mit
      bioinformatischen Analysen, Mutagenese der extrazellulären
      SBP von OpuBC und OpuCC und mit Kristallisationsstudien des
      mutierten OpuBC Proteins wurde die molekulare Anpassung im
      Hinblick auf die Substratspezifität der OpuB und OpuC Systeme
      beschrieben.