Systems biological investigation of aerobic and anaerobic aromatic catabolism in the bacterium Aromatoleum aromaticum EbN1
Aromatic compounds are widely distributed in the environment, where their remineralization plays a crucial role in the global carbon cycle. Since various natural habitats exhibit low oxygen availability, the anaerobic microbial biodegradation of these compounds is of ecological importance. Aromatoleum aromaticum EbN1 represents one of the best-characterized model organisms for the catabolism of aromatic substrates under limited oxygen conditions. However, some degradation pathways are based on enzyme function predictions alone and a comprehensive characterization of the aromatic metabolism is still wanting. In this thesis, the catabolism of four aromatic substrates by A. aromaticum EbN1 under oxic and anoxic growth conditions was investigated by comprehensive metabolomic studies, complemented by collaborative transcriptomic and proteomic analyses. Application of CoA-ester analysis showed the anaerobic degradation of 3-hydroxybenzoate to proceed via 3-hydroxybenzoyl-CoA and yield 4-oxopimeloyl-CoA as intermediate. The subsequent pathway was found to proceed via 3-hydroxypimeloyl-CoA, analogous to the lower anaerobic benzoyl-CoA degradation pathway. The data from this work additionally contradicts the previously predicted dehydroxylation of 4-hydroxybenzoyl-CoA during 3-(4-hydroxyphenyl)propanoate (HPP) degradation via the annotated 4-hydroxybenzoyl-CoA reductase. An unexpected cellular adaption to anaerobic benzoate degradation was the accumulation of putative osmolytes, correlating with high concentrations of intracellular benzoate. Neither the biosynthesis of the osmolytes nor a role in the cell response to potentially toxic intracellular benzoate concentrations was previously anticipated. These findings could be of interest, regarding the biotechnological production of glucosides and the implications on enhanced chemical resistance during bioremediation. Over all, this thesis provides a systems biological view on the catabolic network of aromatic degradation, revealing several aspects of adaption to the environmental niche of aromatic degradation in aqueous sediments. Furthermore, new details on specific degradation pathways were gained and a first observation of osmolyte accumulation during anaerobic benzoate degradation was reported.
Aromatische Verbindungen sind in unserer Umwelt weit verbreitet und ihre Mineralisierung ist Teil des globalen Kohlenstoffkreislaufes. Da zahlreiche natürliche Lebensräume nur über eingeschränkten Sauerstoffeintrag verfügen, ist der anaerobe Aromatenabbau durch Bakterien ökologisch besonders relevant. Aromatoleum aromaticum EbN1 ist der am besten charakterisierte Modellorganismus für die Verstoffwechselung von Aromaten unter Sauerstofflimitierung. Allerdings basieren viele der für den Organismus beschriebene Abbauwege ausschließlich auf funktionellen Enzymvorhersagen, während direkte metabolische Untersuchungen noch fehlen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der aerobe und anaerobe Abbau von vier aromatischen Substraten in A. aromaticum EbN1 untersucht. Es wurden umfassende Metabolomanalysen mit kollaborativ gewonnen Transkriptom- und Proteomdaten kombiniert um ein systembiologisches Gesamtbild zu erhalten. Der anaerobe Abbau von 3-hydroxybenzoate über 3-hydroxybenzoyl-CoA und 4-oxopimeloyl-CoA konnte durch die Verwendung einer neuen Analysemethode für CoA-Ester erstmals auf Metabolomebene gezeigt werden. Der weitere Abbau findet über 3-hydroxypimeloyl-CoA, analog zum unteren Teil des anaeroben Benzoyl-CoA Weges, statt. Außerdem widersprechen die Ergebnisse der vorhergesagten Dehydroxylierung von 4-hydroxybenzoyl-CoA durch die 4-hydroxybenzoyl-CoA reductase während des aeroben und anaeroben HPP-Abbaus. Statt dessen könnte die Benzoyl-CoA reductase beteiligt sein, was neue Einsichten in die radikalische anaerobe Reduktion ermöglichen würde. Bemerkenswert war die Ansammlung von mutmaßlichen Osmolyten, die während des anaeroben Benzoatabbau mit einer hohen intrazellulären Benzoatkonzentration korrelierte. Weder die Biosynthese der Substanzen, noch ihre Rolle in der Zellantwort auf Biozide war bisher bekannt. Diese Ergebnisse können zukünftig relevant sein für die biotechnologische Produktion von Glucosiden und Anwendungen zur Bioremediation. Insgesamt wurde in dieser Arbeit ein erster systembiologischer Blick auf das Netzwerk der aromatischen Abbauwege gezeigt, die Anpassung an den Aromatenabbau in Sedimenten beschrieben und neue Erkenntnisse zu einzelnen Abbauwegen gewonnen. Außerdem wurde erstmals die Akkumulation von Osmolyten während dem anaeroben Benzoatabbaus beschrieben.
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