Auswirkung erhöhter CO2- und HCO-3-Gehalte auf Metabolismus und Energiehaushalt von Saccharomyces cerevisiae

Abstract

Diese Arbeit verwendet systembiologische Ansätze zur Analyse zellulärer Reaktionsdynamiken als Folge des CO2 und HCO-3-Anstiegs in Saccharomyces cerevisiae. Sie untersucht zelluläre Prozesse auf der metabolischen und der transkriptionellen Regulationsebene. Die Ausgangsbedingung und die Zustandsänderung werden durch die Prinzipien der Steuer- und Regelungstechnik in datengestützten mathematischen Modellen beschrieben. Beteiligte zelluläre Komponenten werden identifiziert und ihr regulatorischer Einfluss auf die zelluläre Kontrolle beurteilt. Die angewandten Methoden bieten nützliche Verfahren zur Untersuchung der Signalwirkung von natürlicherweise ubiquitär aber variabel konzentrierten Molekülen wie CO2 und HCO-3. Zusammengefasst zeigen die Resultate die Induktion eines zellulären Signals für pH-Stress, ausgelöst durch steigendes CO2 und den Säurecharakter des damit im Zusammenhang stehenden H2CO3. Die Zellen erhöhen ihre Protonenexportrate und erhöhen dauerhaft die Transkription relevanter Gene. In natürlichen Habitaten wird die notwendige CO2-Menge, abgesehen von Regionen der Tiefsee, wahrscheinlich kaum erreicht. In Bioreaktoren mit mehreren Metern Höhe hingegen beschreiben Fluiddynamiken die Ausbildung horizontaler Flüssigkeitsschichten mit geringer vertikaler Durchmischung. Der hydrostatische Druck erhöht die CO2-Konzentration in den unteren Schichten. Die vertikale Verschiebung von Zellen entlang dieses Gradienten verursacht die Depolarisation der Zellmembran durch die Diffusion von CO2 in diese Zellen. Die Membranspannung ist als Biosignal für Transporter und Kanäle in der Plasmamembran bekannt. Der schnelle Abbau zellulärer Kohlenhydratspeicher beweist die Induktion eines cAMP-Signals in S. cerevisiae als Antwort auf steigende CO2-Niveaus und setzt unter kohlenstofflimitierten Bedingungen Glukose frei. Zeitweise kann so in betroffenen Zellen die oxidative Phosphorylierung in Mitochondrien durch cytosolische Substratkettenphosphorylierung ersetzt werden. Die Transkription von Transportern zur Aufnahme von Carbonsäure durch die innere Mitochondrienmembran, auch die von Pyruvat, sind reprimiert, während Gene, die für Proteine des Citratzyklus und der Atmungskette kodieren, induziert werden. Die Oxidation von Fettsäuren ist transkriptionell reprimiert, während die biochemische Synthese von Aminosäuren (Methionin, Leucin, Isoleucin, Valin, Histidin) und Nukleobasen (Purine, Pyrimidine) induziert wird. Die differentielle Expression von bis zu 1763 Genen bestätigt die Beteiligung von 790 Annotationen, welche in der Gen-Ontologie (GO)-Datenbank geführt werden. Das Wesentliche ist, dass CO2 die Synthese, Prozessierung und den Transport von RNA, die Synthese von Ribosomen sowie tRNA fördert und den Sulfatmetabolismus induziert, um wahrscheinlich die posttranslationale Modifikation des Elongationsfaktors II zu erhöhen. CO2 unterdrückt Mitophagie, Autophagie, vakuoläre und peroxisomale Funktionen wie die Proteolyse, Synthese von Polysacchariden und die β-Oxidation. Die Synthese von Alkoholen, die Gluconeogenese und die Sterolsynthese im Cytosol und dem Endoplasmatischen Reticulum sind unter diesen Bedingungen reprimiert. Diese transkriptionelle Antwort wird über 30 Minuten aufrechterhalten. Nach zehn Generationen bei permanenter CO2-Belastung verbleiben weniger als 100 Gene differentiell exprimiert. Das Transkriptionsprofil erhöht wahrscheinlich die katalytische Aktivität von limitierenden Reaktionen bei der Purin- und Ribonukleotidsynthese. Die Zellen unterhalten Anpassungen in der mitochondriellen Elektronentransportkette und der oxidativen Phosphorylierung, welche die Hauptfunktionen der zellulären Energiebereitstellung unter aeroben Bedingungen darstellen. Die CO2-Anreicherung beeinträchtigt daher die mitochondrielle Energiebereitstellung, welche nach Pertubation intensiviert wird. Die Maßnahmen stabilisieren essentielle Schlüsselfunktionen für zelluläre Kompartimente (z.B. pH Homöostase) und unterdrücken Mechanismen der Stressantwort. Die vorliegende Arbeit liefert ein Basismodell zur Berechnung der CO2-Konzentration in ideal durchmischten Kultivierungsumgebungen. Einige physiologisch relevante Grenzwerte werden aus diesem Modell abgeleitet. Aktuelle Literatur berichtet bei S. cerevisiae von Energieverlusten, welche bereits durch eine Konzentrationserhöhung um 2 mM CO2 im Medium auftreten. Die vorliegende Arbeit demonstriert i) wann und wie Zellen ihr Transkriptionsprofil anpassen und zeigt ii) wie Zellen eine durch CO2 limitierte Energiebereitstellung kompensieren. Dabei wird eine CO2-Umgebung mit 15 mM zwar toleriert, nicht aber vollständig kompensiert. Indessen verursachen 25 mM CO2 einen 15%igen Rückgang der Wachstumsrate und der Biomasse-Substrat-Ausbeute. Die Kohlendioxidkonzentration des Mediums ist daher ein signifikanter Parameter, um Leistungsverluste beim scale-up zu verhindern.