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Exploring the physiology of the ammonia oxidizing archaeon "Nitrososphaera viennensis"
Logan Hodgskiss
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Biologie)
Betreuer*in
Christa Schleper
DOI
10.25365/thesis.71428
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-20867.33430.418680-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Ammoniak oxidierende Archaea (AOA) sind aufgrund ihrer kürzlichen Entdeckung sowie ihres hohen Vorkommens in terrestrischen und marinen Ökosystemen zum Zentrum der Forschung im Feld der Nitrifikation geworden. Obwohl die Substrate (Ammoniak/Kohlendioxid/Sauerstoff) und Produkte (Nitrit/Biomasse) des Metabolismus gleich derer von Ammoniak oxidierenden Bakterien sind, unterscheiden sich die metabolischen Wege und sind bei AOA meist noch unbekannt. Durch vergleichende Genomik wurde das Fehlen von Eisen-basierten Cytochromen festgestellt, welche in AOA jedoch durch Kupfer basiertes „Plastocyanin“ ersetzt werden könnten. Die durch den primären Energiekomplex, die „Ammoniak Monooxygenase“ (AMO) bereits bestehende Kupferabhängigkeit, wird durch diesen Wechsel an Elektronenüberträgern noch verstärkt. Genomische Studien haben weiters die Möglichkeit eines veränderten Aufbaus der AMO, sowie einen für diese Archaea-Gruppe einzigartigen, fein abgestimmten 3-Hydroxypropionate/4-Hydroxybutyrate Kohlenstofffixierungsweg, aufgezeigt. In dieser Arbeit wurden diese aus der vergleichenden Genomik entstandenen Hypothesen experimentell überprüft und somit die aktuellen Kenntnisse über AOA erweitert. Dies wurde durch eine Vielzahl an biochemischen und funktionellen genomischen Methoden, unter Einbezug aller verfügbaren Informationen von verschiedenen AOA Spezies, erreicht. Der Fokus liegt dabei auf dem Boden-Archaeon Nitrososphaera viennensis. Diese Dissertation unterteilt sich in drei primäre Kapitel: (i) die Transkriptom-Analyse von N. viennensis unter Kupferlimitation, welche die Kompensations-Strategien des Organismus, den Kupfererwerb zu maximieren und die Energienutzung zu maximieren, hervorhebt; (ii) die Charakterisierung der archaealen AMO mit biochemischen und Complexom-Analysen in N. viennensis und Nitrosocaldus cavascurensis, welche zur Identifikation von 3 zusätzlichen Untereinheiten im Komplex führte, und (iii) die systembiologische Analyse von N. viennensis unter Kohlenstoff-Limitierung durch Verwendung von Proteomik und Metabolomik, sowie geleitet durch ein thermodynamisches Modell des AOA Metabolismus. Insgesamt geben die kombinierten Forschungsergebnisse genauere Einblicke in die Rolle von Proteinen des Energie- und Kohlenstoff-Metabolismus und die Physiologie von AOA.
Abstract
(Englisch)
Ammonia oxidizing archaea (AOA) have become a focal point of nitrification research due to their recent discovery and their high abundance in many terrestrial and marine environments. While the substrates (ammonia/carbon dioxide/oxygen) and products (nitrite/biomass) of their metabolism may be the same as those of ammonia oxidizing bacteria, the pathways to achieve this metabolism are distinct and mostly unknown. Comparative genomics have shown a lack of iron-based cytochromes that could be replaced by the many copper-based plastocyanins in AOA. This switch in electron carriers positions AOA to be more dependent on copper than they already are due to the high copper demands from their primary energetic complex, the ammonia monooxygenase (AMO). Genomics have also indicated the possibility of a different subunit composition of the AMO complex, as well as a finely tuned 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate carbon fixation pathway that is so far unique to this group of archaea. The work within this thesis expands the current knowledge of AOA by experimentally testing these genomic hypotheses. This is achieved through a variety of biochemical and functional genomic methods with a focus on the soil AOA Nitrososphaera viennensis while encompassing the known information about various AOA species. The thesis is composed of three primary sections: (i) an examination of the gene expression of N. viennensis via transcriptomics under copper limiting conditions, which highlighted strategies of the organism to maximize copper acquisition and alleviate energy depletion (ii) characterization of the subunit composition of the archaeal AMO through biochemical and complexome analysis in N. viennensis and Nitrosocaldus cavascurensis, which led to the identification of three additional polypeptides in the complex and (iii) an investigation of the growth response of N. viennensis to carbon limitation using a proteomic and metabolomic systems biology approach guided by a thermodynamic model of AOA metabolism. The combined results from these studies have helped to elucidate the roles of proteins in the energy and carbon metabolism and stress physiology of AOA.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Ammoniak Oxidation Archaea Nitrifizierung Funktionelle Genomik
Schlagwörter
(Englisch)
Ammonia Oxidation Archaea Nitrification Functional Genomics
Autor*innen
Logan Hodgskiss
Haupttitel (Englisch)
Exploring the physiology of the ammonia oxidizing archaeon "Nitrososphaera viennensis"
Paralleltitel (Deutsch)
Studien zur Physiologie des Ammoniak oxidierenden Archaeons Nitrososphaera viennensis
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
iv, 204 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Cornelia Welte ,
Ivan Berg
Klassifikation
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC16559832
Utheses ID
62574
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |