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Sensing, uptake and excretion of pyruvate in gamma-proteobacteria
Sensing, uptake and excretion of pyruvate in gamma-proteobacteria
Bacteria are found almost everywhere on earth and can flexibly adapt to changing conditions. They can for instance produce specific transporter proteins to utilize organic compounds as soon as they detect their presence in the environment. They also balance intracellular metabolite concentrations by excreting them when the levels rise too high. This dissertation focuses on sensing, uptake and excretion of one central metabolite, pyruvate. Pyruvate sensing and uptake systems were investigated and compared in three different gammaproteobacteria, Escherichia coli, Vibrio campbellii, and Salmonella enterica serovar Typhimurium. The results presented here show that E. coli has two different two-component systems for pyruvate sensing (BtsS/BtsR and PyrS/PyrR) and three pyruvate transporters (BtsT, YhjX and CstA), whereas the pathogen S. Typhimurium has one pyruvate sensing system (BtsS/BtsR) and two pyruvate transporters (BtsT and CstA), and the marine pathogen V. campbellii has one pyruvate sensing system (BtsS/BtsR) and only one pyruvate transporter (BtsU). It is found that the three model bacteria not only possess different numbers and types of pyruvate sensing and uptake systems, but they phenotypically differ when pyruvate uptake is prevented by deletion of the corresponding transporter genes, especially when infecting their respective hosts. In addition, the excretion of pyruvate by E. coli was investigated with the aim of finding the responsible pyruvate exporter protein(s). Several large-scale screening methods were established and performed, leading to a selection of promising candidates. The energetics of pyruvate export were studied using right-side-out membrane vesicles. The results of this dissertation suggest that pyruvate sensing, uptake and excretion are important for all three model species – not only to catabolize this compound, but also to balance intracellular pyruvate levels and benefit from its other properties, such as protection against reactive oxygen species, recovery from persistence, promotion of virulence, or gaining an advantage in a competitive environment. Comparative molecular analysis of the systems for sensing and uptake of an important metabolite such as pyruvate in different species has provided new insights into the successful adaptation of bacteria to different environmental conditions., Bakterien sind fast überall auf der Erde zu finden und können sich flexibel an wechselnde Bedingungen anpassen. So können sie zum Beispiel spezifische Transporterproteine produzieren, um wertvolle Verbindungen wie Metabolite genau dann aufzunehmen, sobald sie deren Vorhandensein in der Umwelt wahrnehmen. Außerdem gleichen sie intrazelluläre Metabolit-Konzentrationen aus, indem sie die Verbindungen ausscheiden, wenn die Level zu hoch ansteigen. Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Wahrnehmung, Aufnahme und Ausscheidung des zentralen Metaboliten Pyruvat. In den drei Modell-Gammaproteobakterien Escherichia coli, Vibrio campbellii und Salmonella enterica serovar Typhimurium wurden Pyruvat-Wahrnehmungs- und -Aufnahmesysteme untersucht und verglichen. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass E. coli zwei verschiedene Zweikomponentensysteme zur Wahrnehmung von Pyruvat besitzt (BtsS/BtsR und PyrS/PyrR), sowie drei Pyruvat-Transporter (BtsT, YhjX und CstA), während der Krankheitserreger S. Typhimurium ein Pyruvat-Wahrnehmungssystem besitzt (BtsS/BtsR) und zwei Pyruvat-Transporter (BtsT und CstA). Das pathogene Meeresbakterium V. campbellii hingegen besitzt ein System zur Wahrnehmung von Pyruvat (BtsS/BtsR) und nur einen Pyruvat-Transporter (BtsU). Es zeigt sich, dass die drei Modellbakterien nicht nur eine unterschiedliche Anzahl und Art von Pyruvat-Wahrnehmungs- und -Aufnahmesystemen besitzen, sondern auch abweichende Phänotypen zeigen, wenn die Aufnahme von Pyruvat durch eine Deletion der verantwortlichen Transporter-Gene verhindert wird – insbesondere bei einer Wirtsinfektion. Des Weiteren wurde die Ausscheidung von Pyruvat durch E. coli untersucht, mit dem Ziel, das/die verantwortliche/n Pyruvat-Exporterprotein/e zu finden. Verschiedene Screening-Methoden wurden etabliert, die zu einer Auswahl vielversprechender Kandidaten führten. Die Energetik des Pyruvat-Exports wurde anhand von Membranvesikeln analysiert. Die Ergebnisse dieser Dissertation weisen darauf hin, dass die Wahrnehmung, Aufnahme und Ausscheidung von Pyruvat für alle drei Modellbakterien wichtig ist – doch nicht nur, um es zu verstoffwechseln, sondern auch um die intrazelluläre Konzentration konstant zu halten und von seinen anderen Eigenschaften zu profitieren, wie etwa dem Schutz vor oxidativem Stress oder der Förderung von Regeneration und Virulenz. Die vergleichende molekulare Analyse der Systeme zur Wahrnehmung und Aufnahme eines so wichtigen Metaboliten wie Pyruvat in verschiedenen Spezies liefert neue Erkenntnisse über die erfolgreiche Anpassung von Bakterien an unterschiedliche Umweltbedingungen.
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Paulini, Stephanie
2023
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Paulini, Stephanie (2023): Sensing, uptake and excretion of pyruvate in gamma-proteobacteria. Dissertation, LMU München: Faculty of Biology
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Abstract

Bacteria are found almost everywhere on earth and can flexibly adapt to changing conditions. They can for instance produce specific transporter proteins to utilize organic compounds as soon as they detect their presence in the environment. They also balance intracellular metabolite concentrations by excreting them when the levels rise too high. This dissertation focuses on sensing, uptake and excretion of one central metabolite, pyruvate. Pyruvate sensing and uptake systems were investigated and compared in three different gammaproteobacteria, Escherichia coli, Vibrio campbellii, and Salmonella enterica serovar Typhimurium. The results presented here show that E. coli has two different two-component systems for pyruvate sensing (BtsS/BtsR and PyrS/PyrR) and three pyruvate transporters (BtsT, YhjX and CstA), whereas the pathogen S. Typhimurium has one pyruvate sensing system (BtsS/BtsR) and two pyruvate transporters (BtsT and CstA), and the marine pathogen V. campbellii has one pyruvate sensing system (BtsS/BtsR) and only one pyruvate transporter (BtsU). It is found that the three model bacteria not only possess different numbers and types of pyruvate sensing and uptake systems, but they phenotypically differ when pyruvate uptake is prevented by deletion of the corresponding transporter genes, especially when infecting their respective hosts. In addition, the excretion of pyruvate by E. coli was investigated with the aim of finding the responsible pyruvate exporter protein(s). Several large-scale screening methods were established and performed, leading to a selection of promising candidates. The energetics of pyruvate export were studied using right-side-out membrane vesicles. The results of this dissertation suggest that pyruvate sensing, uptake and excretion are important for all three model species – not only to catabolize this compound, but also to balance intracellular pyruvate levels and benefit from its other properties, such as protection against reactive oxygen species, recovery from persistence, promotion of virulence, or gaining an advantage in a competitive environment. Comparative molecular analysis of the systems for sensing and uptake of an important metabolite such as pyruvate in different species has provided new insights into the successful adaptation of bacteria to different environmental conditions.

Abstract

Bakterien sind fast überall auf der Erde zu finden und können sich flexibel an wechselnde Bedingungen anpassen. So können sie zum Beispiel spezifische Transporterproteine produzieren, um wertvolle Verbindungen wie Metabolite genau dann aufzunehmen, sobald sie deren Vorhandensein in der Umwelt wahrnehmen. Außerdem gleichen sie intrazelluläre Metabolit-Konzentrationen aus, indem sie die Verbindungen ausscheiden, wenn die Level zu hoch ansteigen. Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Wahrnehmung, Aufnahme und Ausscheidung des zentralen Metaboliten Pyruvat. In den drei Modell-Gammaproteobakterien Escherichia coli, Vibrio campbellii und Salmonella enterica serovar Typhimurium wurden Pyruvat-Wahrnehmungs- und -Aufnahmesysteme untersucht und verglichen. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass E. coli zwei verschiedene Zweikomponentensysteme zur Wahrnehmung von Pyruvat besitzt (BtsS/BtsR und PyrS/PyrR), sowie drei Pyruvat-Transporter (BtsT, YhjX und CstA), während der Krankheitserreger S. Typhimurium ein Pyruvat-Wahrnehmungssystem besitzt (BtsS/BtsR) und zwei Pyruvat-Transporter (BtsT und CstA). Das pathogene Meeresbakterium V. campbellii hingegen besitzt ein System zur Wahrnehmung von Pyruvat (BtsS/BtsR) und nur einen Pyruvat-Transporter (BtsU). Es zeigt sich, dass die drei Modellbakterien nicht nur eine unterschiedliche Anzahl und Art von Pyruvat-Wahrnehmungs- und -Aufnahmesystemen besitzen, sondern auch abweichende Phänotypen zeigen, wenn die Aufnahme von Pyruvat durch eine Deletion der verantwortlichen Transporter-Gene verhindert wird – insbesondere bei einer Wirtsinfektion. Des Weiteren wurde die Ausscheidung von Pyruvat durch E. coli untersucht, mit dem Ziel, das/die verantwortliche/n Pyruvat-Exporterprotein/e zu finden. Verschiedene Screening-Methoden wurden etabliert, die zu einer Auswahl vielversprechender Kandidaten führten. Die Energetik des Pyruvat-Exports wurde anhand von Membranvesikeln analysiert. Die Ergebnisse dieser Dissertation weisen darauf hin, dass die Wahrnehmung, Aufnahme und Ausscheidung von Pyruvat für alle drei Modellbakterien wichtig ist – doch nicht nur, um es zu verstoffwechseln, sondern auch um die intrazelluläre Konzentration konstant zu halten und von seinen anderen Eigenschaften zu profitieren, wie etwa dem Schutz vor oxidativem Stress oder der Förderung von Regeneration und Virulenz. Die vergleichende molekulare Analyse der Systeme zur Wahrnehmung und Aufnahme eines so wichtigen Metaboliten wie Pyruvat in verschiedenen Spezies liefert neue Erkenntnisse über die erfolgreiche Anpassung von Bakterien an unterschiedliche Umweltbedingungen.