TY  - THES
A1  - Hünten, Peter
T1  - Channel-forming proteins in the cell wall of amino acid-producing Corynebacteria
T1  - Kanalbildende Proteine in der Zellwand Aminosäure-produzierender Corynebakterien
N2  - Corynebacterium glutamicum is together with C. callunae and C. efficiens a member of the diverse group of mycolic-acid containing actinomycetes, the mycolata. These bacteria are potent producer of glutamate, lysine and other amino acids on industrial scale. The cell walls of most actinomycetes contain besides an arabinogalactan-peptidoglycan complex large amounts of mycolic acids. This three-layer envelope is called MAP (mycolyl-arabinogalactan-peptidoglycan) complex and it represents a second permeability barrier beside the cytoplasmic membrane similar to the outer membrane of Gram-negative bacteria. In analogy to the situation in the outer membrane of Gram-negative bacteria, channels are present in the mycolic acid layer of the mycobacterial cell wall for the passage of hydrophilic solutes. Molecular studies have provided far-reaching findings on the amino acid flux and its balance in C. glutamicum in general, but the L-glutamate export still remains unknown. The properties of the outer layers, typical of mycolata, seem to be of major importance in this process, and diffusion seems to play a key role for this part of the cell wall. The major aim of this thesis was to identify and study novel channel-forming proteins of the amino acid producers C. glutamicum, C. callunae and C. efficiens. Cell wall extracts of the organisms were investigated and a novel pore-forming protein, named PorH, that is homologue in all three organisms, was detected and characterized. PorHC.glut was isolated from C. glutamicum cells cultivated in minimal medium. The protein was identified in lipid bilayer experiments and purified to homogeneity by fast-protein liquid chromatography across a HiTrap-Q column. The purified protein forms cation-selective channels with a diameter of about 2.2 nm and an average single-channel conductance of about 2.5 nS in 1 M KCl in the lipid bilayer assay. Organic solvent extracts were used to study the permeability properties of the cell wall of C. callunae and C.efficiens. The cell extracts contained channel-forming activity, the corresponding proteins were purified to homogeneity by fast-protein liquid chromatography across a HiTrap-Q column and named PorHC.call and PorHC.eff. Channels formed by PorHC.call are cation-selective with a diameter of about 2.2 nm and an average single-channel conductance of 3 nS, whereas PorHC.eff forms slightly anion selective channels with an average single-channel conductance of 2.3 nS in 1 M KCl in the lipid bilayer assay. The PorH proteins were partially sequenced and the corresponding genes, which were designated as porH, were identified in the published genome sequence of C. glutamicum and C. efficiens. The chromosome of C. callunae is not sequenced, but PorHC.call shows a high homology to PorHC.eff and PorHC.glut. The proteins have no N-terminal extension, only the inducer methionine, which suggests that secretion of the proteins could be very similar to that of PorAC.glut of C. glutamicum. PorHC.glut is coded in the bacterial chromosome by a gene that is localized in the vincinity of the porAC.glut gene, within a putative operon formed by 13 genes that are encoded by the minus strand. Both porins are cotranscribed and coexist in the cell wall, which was demonstrated in RT-PCR and immunological detection experiments. The arrangement of porHC.glut and porAC.glut on the chromosome is similar to that of porBC.glut and porCC.glut and it was found that PorAC.glut, PorHC.glut, PorBC.glut and PorCC.glut coexist in the cell wall of C. glutamicum. The molecular mass of about 6 kDa of the PorH channel forming proteins is rather small and suggests that the cell wall channels are formed by oligomers. A possibly hexameric form was demonstrated for PorHC.glut in Western blot analysis with anti- PorHC.glut antibodies. Secondary structure predictions for PorHC.glut, PorHC.call and PorHC.eff predict that a stretch of about 42 amino acids of PorHC.glut and 28 amino acids of PorHC.call and PorHC.eff forms amphipathic -helices with a total length of 6.3 nm and 4.2 nm respectively. This should be sufficient to cross the mycolic acid layer. Another objective of this work was to establish an heterologous expression system for corynebacterial channel-forming proteins, to investigate the channel-forming properties of the up to now only hypothetical porins PorA, PorB, PorC from C. efficiens and PorC from C. glutamicum. We could demonstrate with recombinant expression experiments in E. coli that porBC.eff and porCC.eff encode for channel-forming proteins. They are, like PorBC.glut, anion-selective with a similar single-channel conductance of 1 nS in 1 M KCl.
N2  - C. glutamicum gehört zusammen mit C. efficiens und C. callunae zu den bedeutensten Aminosäureproduzenten weltweit. Sie sind Mitglieder der heterogenen Gruppe der mykolsäurehaltigen Aktinomyceten, den Mycolaten. Die Zellwände der meisten Aktinomyceten weisen neben einem Arabinogalactan-Peptidoglycankomplex große Mengen an Mycolsäuren auf. Diese MAP(Mycolyl-Arabinogalactan-Peptidoglycan) genannte dreischichtige Hülle stellt neben der Cytoplasmamembran eine zweite Permeabilitätsbarriere dar, und übernimmt somit die gleiche Funktion wie die äußere Membran der Gram-negativen Bakterien was zur Folge hat, dass für den Transport von hydrophilen Stoffen kanalbildende Proteine benötigt werden. Analog zur Situation in Gram-negativen Bakterien sind in der Mykolsäureschicht von C. efficiens, C. callunae und C. glutamicum porenbildende Transmembranproteine vorhanden. Es ist bisher vieles bekannt über den Aminosäurefluss über die Cytoplasmamembran und dessen Regulation in C. glutamicum, aber der Export von L-Glutamat ist noch ungeklärt. Die besondere Beschaffenheit der äußeren Membran von Mycolaten scheint in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle zu spielen, da man annimmt, dass die Diffusion im Bezug auf den Transport über die Mycolsäureschicht eine Schlüsselrolle einnimmt. Das Ziel dieser Arbeit war es neue porenbildende Proteine der Aminosäureproduzenten C. glutamicum, C. efficiens und C. callunae zu identifizieren und zu charakterisieren. Bei Untersuchungen von Zellwandextrakten wurde ein neuer, in allen drei Organismen homologer, Zellwandkanal, PorH, gefunden und charakterisiert. PorHC.glut wurde aus in Minimalmedium kultivierten C. glutamicum Zellen isoliert. Das Protein wurde in Lipid-Bilayer Experimenten gefunden und mit Hilfe der Ionenaustauscher-chromotographie über eine HiTrap-Q Säule aufgereinigt. PorHC.glut bildet in Black-Lipid Bilayer Experimenten kationenselektive Kanäle mit einem Durchmesser von 2,2 nm und hat eine Einzelkanalleitfähigkeit von 2,5 nS in 1 M KCl. Aus organischen Zellwandextrakten von C. callunae und C. efficiens wurden PorHC.call und PorHC.eff isoliert. PorHC.call bildet einen kationenselektiven Kanal mit einem Durchmesser von 2,2 nm und einer Einzel-kanalleitfähigkeit von 3 nS, PorHC.eff hingegen bildet einen leicht anionenselektiven Kanal mit einer Leitfähigkeit von 2,3 nS in 1 M KCl. Über die Sequenzierung der PorH Proteine wurden die entsprechenden porH Gene im Genom von C. glutamicum und C. efficiens identifiziert. Das Genom von C. callunae ist nicht bekannt, jedoch weisen die PorH Proteinsequenzen eine hohe Homologie untereinander auf. Es ist keine Signalsequenz vorhanden, so dass man annimmt, dass der Export über die Plasmamembran ähnlich funktioniert wie bei PorAC.glut aus C. glutamicum. Das Gen porHC.glut aus C. glutamicum befindet sich in unmittelbarer Nähe zu porAC.glut in einem möglichen Cluster das aus 13 Genen besteht. In RT-RCR Experimenten und immunologischen Reaktionen mit polyklonalen Antikörpern konnte gezeigt werden, dass die Gene porAC.glut und porHC.glut zusammen transkribiert werden und die Porine in der Zellwand coexistieren. Die Anordnung von porAC.glut und porHC.glut im Genom von C. glutamicum ist ähnlich der von porBC.glut und porCC.glut, und es konnte gezeigt werden, dass die vier Porine in der Zellwand gleichzeitig vorhanden sind. Das Molekulargewicht von PorH ist mit 6 kDa sehr klein für Kanalproteine und man nimmt an, dass die Kanäle von Oligomeren gebildet werden. In Western Blots wurde eine mögliche hexamere Form von PorHC.glut nachgewiesen. Sekundärstrukturvorhersagen für PorH sagen aus, dass 42 Aminosäuren von PorHC.glut und 28 von PorHC.eff und PorHC.call amphiphatische α-Helices mit einer Länge von 6,3 nm, bzw. 4,2 nm ausbilden. Diese Länge würde ausreichen, um die Mykolsäureschicht zu durchspannen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, ein heterologes Expressionssystem für corynebakterielle Kanalproteine zu erstellen, um die kanalbildenden Eigenschaften von bisher nur hypothetischen Porinen wie PorAC.eff, PorBC.eff und PorCC.eff von C. efficiens, oder PorCC.glut von C. glutamicum zu bestimmen. In rekombinanten Expressions-Experimenten in E. coli konnte gezeigt werden, dass die Gene porBC.eff und porCC.eff für Proteine mit kanalbildender Aktivität kodieren. Die Kanäle sind anionenselekitv, mit einer Einzelkanalleitfähigkeit von 1 nS in 1 M KCl, vergleichbar mit den Eigenschaften von PorBC.glut aus C. glutamicum.
KW  - Corynebacterium callunae
KW  - Zellwand
KW  - Kanalbildner
KW  - Corynebacterium efficiens
KW  - Corynebacterium glutamicum
KW  - Zellwandkanäle
KW  - Mykolsäuren
KW  - Lipid Bilayer Membran
KW  - C. glutamicum
KW  - C. efficiens
KW  - C. callunae
KW  - Cell wall channel
KW  - Mycolic acid
KW  - Porin
KW  - Lipid bilayer membrane
KW  - C. glutamicum
KW  - C. efficiens
KW  - C. callunae
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13890
ER  - 
TY  - THES
A1  - Denker, Katrin
T1  - Isolation and characterization of channel-forming proteins in the outer membrane of E. coli and Borrelia species
T1  - Isolierung und Charakterisierung porenformender Proteine in der Aussenmembran von E. coli und Borrelien
N2  - In this study pore forming proteins of the gram-negative bacteria B. burgdorferi, B. duttonii and E.coli were investigated. Therefore the study is subdivided into three parts. In the first part outer membrane preparation of three relapsing fever Borrelia were investigated. In the second part the putative TolC homologue BB0124 of B. burgdorferi, the Lyme borreliosis agent, was studied. In the last part the influence of point mutants within the greasy slide of the maltose specific porin (LamB) of E. coli were shown. In the first part of this study outer membrane preparations of three Borrelia relapsing fever strains have been studied for pore-forming activity in the black lipid bilayer assay. Histograms of conductance fluctuations were obtained from single-channel experiments with outer membrane preparations of B. hermsii, B. recurentis and B. duttonii. All strains had a different conductance fluctuation pattern with a broad range of single-channel conductance values varying from 0.5 nS – 11 nS. Common for all three strains was a high pore-forming activity at around 0.5 nS. Furthermore the proteins of the outer membrane of B. duttonii were separated by chromatographic methods. Some eluate fractions contained a channel-forming protein, which was forming stable channels with a single-channel conductance of 80 pS in 1 M KCl. Characterization of this channel showed that it is slightly anionic selective and voltage independent. The small single-channel conductance suggests that it is a specific pore. However, a substrate specificity could not be determined. In the second part, for the B. burgdorferi HB19 and p66 knock out strain HB19/K02, their outer membrane preparations were characterized in the black lipid bilayer assay. Comparing the histograms of single-channel conductions fluctuations of both strains showed no single-channel activity at 11.5 nS for the p66 knock out strain. This verifies earlier studies that P66 is a pore-forming protein in B. burgdorferi. Furthermore, one fraction obtained by anion exchange chromatography of the p66 knock out outer membrane protein preparation showed a uniform channel-forming activity with a single channel conductance of 300 pS. The electrophysically characterization of the 300 pS channel showed that it is not ionselective or voltage dependent. By mass spectrometry using peptide mass finger prints, BB0142 could be identified as the sole channel forming candidate in the active fraction. A BLAST search and a conserved domain search showed that BB0142 is a putative TolC homologue in B. burgdorferi. Furthermore the location of the bb0142 gene within the chromosome is in an operon encoding a multidrug efflux pump. In this study the expression of an outer membrane component of a putative drug efflux system of B. burgdorferi was shown for the first time. In the third part functional studies of the maltooligosaccharide-specific LamB channel were performed. The 3D-structure of LamB suggests that a number of aromatic residues (Y6, Y41, W74, F229, W358 and W420) within the channel lumen is involved in carbohydrate and ion transport. All aromatic residues were replaced by alanine (A) scanning mutagenesis. Furthermore, LamB mutants were created in which one, two, three, four and five aromatic residues were replaced to study their effects on ion and maltopentaose transport through LamB. The purified mutant proteins were reconstituted into lipid bilayer membranes and the single-channel conductance was studied. The results suggest that all aromatic residues provide some steric hindrance for ion transport through LamB. Highest impact is provided by Y6 and Y41, which are localized opposite to Y118, which forms the central constriction of the LamB channel. Stability constants for binding of maltopentaose to the mutant channels were measured using titration experiments with the carbohydrate. The mutation of one or several aromatic amino acids led to a substantial decrease of the stability constant of binding. The highest effect was observed when all aromatic amino acids were replaced by alanine because no binding of maltopentaose could be detected in this case. However, binding was again possible when Y118 was replaced by tryptophane (W). The carbohydrate-induced block of the channel function could also be used for the study of current noise through the different mutant LamB-channels. The analysis of the power density spectra of some of the mutants allowed the evaluation of the on- and off-rate constants (k1 and k-1) of carbohydrate binding to the binding-site inside the channels. The results suggest that both on- and off-rate constants were affected by the mutations. For most mutants k1 decreased and k-1 increased.
N2  - In dieser Studie wurden porenformende Proteine der gram-negativen Bakterien B. burgdorferi, B. duttonii und E. coli untersucht. Daher wurde die Arbeit in drei Teile untergliedert. Im ersten Teil wurden zuerst die Außenmembranpräparationen von drei Rückfallfieber auslösenden Borrelien Stämmen untersucht. Der zweite Teil der Arbeit behandelt das TolC homologe Protein BB0142 des Erreger der Lyme Borreliose, B. burgdorferi. Im letzten Teil wurde der Einfluss von Punktmutationen innerhalb der „greasy slide“ auf die zuckerspezifische Pore (LamB) von E. coli untersucht. Die Außenmembranpräparationen der drei Rückfallfieber Borrelien wurden auf porenformende Aktivität im Black Lipid Bilayer untersucht. Leitfähigkeitshistograme wurden nach Einzelkanalmessungen der Außenmembranepräparation von B. hermsii, B. recurrentis und B. duttonii erstellt. Alle Stämme zeigten ein anderes Leitfähigkeitsfluktuationsmuster, wobei die Werte der Einzelleitfähigkeit von 0,5 nS bis 11 nS variierten. Auffällig war das alle drei Stämme eine hohe Aktivität um 0,5 nS gemeinsan hatten. Darauffolgend wurden die Proteine der Außenmembran von B. duttonii durch verschiedene chromatographische Methoden aufgetrennt. Einige Eluatfraktionen enthielten ein kanalformendes Protein, das stabile Kanäle mit einer Einzelleitfähigkeit von 80 pS in 1 M KCl formt. Die Bestimmung der Kanaleigenschaften zeigte, dass er leicht anionenselektive und spannungsunabhängig ist. Die geringe Einzelleitfähigkeit suggeriert, dass der Kanal zudem eine spezifische Pore sein könnte. Bisher konnte aber keine Substratespezifität festgestellt werden. Im zweiten Abschnitt erfolgte die Untersuchung von Außenmembranpräparationen von B. burgdorferi HB19 und dem p66 knock-out Stamm HB19/K02 mit Hilfe des Black Lipid Bilayers. Im Vergleich der beiden erhalten Einzelleitfähigkeitshistogramme konnte gezeigt werden, dass die Einzelleitfähigkeit von 11,5 nS nicht mehr im p66 knock out Stamm vorkam. Dies belegt frühere Studien, dass P66 ein poreformendes Protein von B. burgdorferi ist. Durch Anionenaustauscher-Chromatographie der Außenmembranpräparation des p66 knock out Stammes wurde zudem eine Proteinfraktion mit einer einheitlichen porenformenden Aktivität von 300 pS in 1 M KCl erhalten. Die elektrophysikalische Charakterisierung der 300 pS Pore zeigte, dass der Kanal nicht ionenselektiv oder spannungsabhängig ist. Mit Hilfe von Massenspektrometrie und Peptidemassenbestimmung, konnte BB0142 als einziger möglicher kanalformender Kandidat identifiziert werde. Eine BLAST Suche sowie eine „conserved domain“ Suche zeigten, dass BB0142 ein putatives TolC homologes Protein von B. burgdorferi ist. Darüber hinaus ist das bb0142 Gen in einem Operon lokalisiert, das eine putative Efflux Pumpe codiert. In der vorliegenden Arbeit konnte das erste Mal gezeigt weden, dass in B. burgdorferi die Außenmembrankomponente einer Efflux Pumpe expremiert wird. Im dritten Teil wurden Funktionsstudien an dem zuckerspezifischen Kanal LamB durchgeführt. Die 3D Struktur zeigte, dass einige aromatische Aminosäuren (Y6, Y41, W74, F229, W358 und W420) innerhalb des Kanallumen in den Kohlenhydrat- und Ionentransport involviert sind. Alle aromatischen Reste wurden bei Punktmutation durch Alanin ersetzt. Zudem wurden LamB Mutanten erzeugt in denen ein, zwei, drei, vier oder fünf aromatische Reste durch Alanin ersetzt. Die aufgereinigten LamB Mutanten wurden im Black Lipid Bilayer untersucht und ihre Einzelleitfähigkeit bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass alle aromatischen Reste eine gewisse sterische Hinderung beim Ionentransport durch LamB bewirken. Den größten Einfluss haben die Reste Y6 und Y41, die gegenüber dem Rest Y188 liegen, der die zentrale Verengung des LamB Kanal darstellt. Stabilitätskonstanten der Zuckerbindung in den Mutanten wurde durch Titrationsexperimente mit Maltopentaose und -heptaose bestimmt. Mutation an einem oder mehreren aromatischen Resten führt zu einer deutlichen Abnahme der Bindungsstabilitätskonstanten. Den stärksten Effekt zeigte die Mutante, in der alle aromatischen Reste durch Alanin ersetzt wurden. Es konnte dort keine Zuckerbindung mehr festgestellt werden. Die Bindung wurde wieder hergestellt nachdem Y118 durch ein Tryptophan ersetzt wurde. Durch das zuckerinduzierte Öffnen und Schließen des Kanals ergiebt sich ein Stromrauschen. Die Analyse des Rausch Spektrum von einigen Mutanten erlaubte die Bestimmung der Dissoziations- (k-1) und der Assoziationskonstaten (k1) der Zuckerbindung an der Bindestelle innerhalb des Kanals. Die Ergebnisse zeigten, dass die Geschwindigkeitskonstanten durch die Mutationen beeinflusst wurden. Für die meisten Mutanten sank der k1 Wert während der k-1 Wert anstieg.
KW  - Escherichia coli
KW  - Kanalbildner
KW  - Zellwand
KW  - Borrelia
KW  - Borrelia burgdorferi
KW  - BB0142
KW  - porenformende Proteine
KW  - Maltoporin
KW  - black lipid bilayer
KW  - Borrelia burgdorferi
KW  - BB0142
KW  - channel forming proteins
KW  - Maltoporin
KW  - black lipid bilayer
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16955
ER  -