Molekulare Untersuchung zur marinen und limnischen Verbreitung und zur biotechnologischen Anwendung von Hydrogenasen

Die erstellte Arbeit zeigt einen Bezug zwischen der Verteilung von [NiFe]-Hydrogenasen und der Stufe der Trophie in marinen Gewässern auf. Die NAD(P)-gekoppelten Hydrogenasen konnten weder in Datensätzen des offenen Ozean gefunden, noch selber per PCR detektiert werden, sondern kamen in beiden Fällen nur im Küstenbereich, d.h. in einem Bereich mit terrestrischem Einfluss und somit nicht in Bereichen, die oligotroph sind, vor. Dass der Küstenbereich insgesamt reich an Sequenzen dieser Arten von Hydrogenasen ist, konnte sowohl durch die PCR, als auch durch die Untersuchung der Gesamtgenome gezeigt werden. Im Gegensatz dazu korrelierten die Fundorte der aufnehmenden Hydrogenasen nicht mit dem Grad der Trophie, sondern mit der diazotrophen Lebensweise des Organismus, was bedeutet, dass die Anwesenheit dieses Typs von Hydrogenase mit der Präsenz der Nitrogenase einhergeht, auch wenn es hier Ausnahmen bei einzelligen stickstofffixierenden Bakterien gibt. Gleichzeitig konnten in der Gruppe der Rhodobacteraceae, sowie bei Neptunibacter caesariensis Hinweise darauf gefunden werden, dass es sich bei den dortigen membrangebundenen Hydrogenasen um sauerstoffresistente Varianten handelt, die verwandt mit dem Enzym von R. eutropha sind. Zudem scheint sich die membrangebundene H2-produzierende Hydrogenase der Vibrionaceae als Marker für das Innere organischer Partikel besiedelnder Bakterien anzubieten. Archeaelle Hydrogenasen konnten nicht gefunden werden, wogegen die Fundstellen von [FeFe]-Hydrogenasen sich in der metagenomischen Datenbank auf zwei potentiell anaerobe Fundorte außerhalb mariner Gewässer beschränkte. Während der physiologischen Versuche mit dem Organismus Nostoc AMC 414 konnte im Gegensatz zum WT eine Wasserstoffproduktion der Nitrogenase beobachtet werden, da es in dieser Mutante von Nostoc sp. PCC 7120 nicht zur Assemblierung einer aktiven aufnehmenden Hydrogenase kommt. Zusätzlich wurde als Promotorstudie für eine anschließende heterologe Expression von [FeFe]-Hydrogenasen in den Heterocysten dieser Mutante von Nostoc ein 800 bp großes Fragment stromaufwärts des für NifH kodierenden Genes überprüft. Die heterologe Expression einer [FeFe]-Hydrogenase von B. thetaiotaomicron VPI-5482 in den Heterocysten scheint im Prinzip zu funktionieren, allerdings führte diese Expression nach der Induktion der Heterocysten stets zum Absterben der gesamten Kultur. Gründe hierfür könnte die Akkumulation von CN und CO in den Heterocysten sein, was toxisch für die Zellen wäre. Weiterhin könnten überexpimierte Hydrogenasen mit den Nitrogenasen um den gleichen Elektronenpool konkurrieren, was dazu führen könnte, dass der Organismus nicht mehr unter Stickstoffmangel wachsen kann. Schließlich könnten die Heterocysten durch den erhöhten Verbrauch an Stoffwechsel-produkten diese vermehrt aus den vegetativen Zellen abziehen und dieses zum Absterben der Kultur führen. Die Fusion der bidirektionalen Hydrogenase von Synechocystis sp. PCC 6803 an das Photosystem I des gleichen Organismus konnte während der vorliegenden Arbeit noch nicht abgeschlossen werden. Allerdings wurden aus den gewonnenen Erkenntnissen Lösungsvorschläge für eine verbesserte Versuchsdurchführung entwickelt.

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