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Genetic insights into sulfobacin biosynthesis in Flavobacterium johnsoniae
Theresa Heidi Villunger
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Ernährungswissenschaften
Betreuer*in
Alexander Loy
DOI
10.25365/thesis.80664
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13800.94832.659852-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Sulfobacine sind bakterielle, bioaktive Sulfonolipide, die Entzündungsprozesse im Darm von Säugetieren hemmen und die Polarisation von Makrophagen unterdrücken, was auf eine immunmodulatorische Funktion hinweist. Darüber hinaus sind sie essenziell für die Motilität von Flavobacterium johnsoniae und induzieren Multizellularität bei Choanoflagellaten. Strukturell sind Sulfobacine mit Ceramiden verwandt, einer Unterklasse der Sphingolipide. Diese besitzen ein von Serin abgeleitetes Aminoalkohol-Rückgrat (Sphinganin), das über eine N-Acylierung mit einer Fettsäure verknüpft ist. Ceramide fungieren in Eukaryoten als bioaktive Signalmoleküle, und verwandte Sphingolipide werden auch von bestimmten Darmbakterien synthetisiert. Die Biosynthese der Sulfobacine erfolgt durch die N-Acylierung von Capnin, dem sulfonierten Analogon des Sphinganins. Zu den ersten Schritten dieses Synthesewegs zählen die Kondensation von Cysteat mit einem Acyl-Carrier-Protein, katalysiert durch die Cysteat-Acyl-ACP-Transferase (SulA), sowie die anschließende Reduktion von 3-Ketocapnin zu Capnin durch eine Dehydrocapnin-Reduktase. Die Enzyme, die die weitere Umwandlung von Capnin zu Sulfobacinen katalysieren, sind bislang jedoch nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit war es, bislang unbekannte Gene der Sulfobacin-Biosynthese mithilfe von Flavobacterium johnsoniae als genetisch gut zugänglichem Modellorganismus zu charakterisieren. Vergleichende Genomanalysen bakterieller Ceramid-Biosynthesewege deuteten auf zwei Gene für Cysteat-Synthasen sowie auf ein potenzielles Sulfobacin-Synthase-Gen hin, das für die N-Acylierung von Capnin verantwortlich sein könnte. Darüber hinaus wurden zwei mutmaßliche Monooxygenasen als Kandidaten für die Biosynthese einer hydroxylierten Sulfobacin-Variante identifiziert. Zur funktionellen Analyse wurden markerlose Deletionsmutanten sowie Mutanten mit Verschiebung des Leserasters von F. johnsoniae erzeugt. Die Lipidzusammensetzung der Mutanten wurde mittels Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) untersucht, während die Motilität mikroskopisch analysiert wurde. Im Mutantenstamm mit Deletion des potenziellen Sulfobacin-Synthase-Gens ging die Motilität vollständig verloren. LC-MS/MS-Analysen zeigten das vollständige Fehlen von Sulfobacinen sowie eine Akkumulation des Vorläufers Capnin und bestätigten damit die zentrale Rolle des deletierten Gens in der Sulfobacin-Biosynthese. Im Gegensatz dazu produzierten die Monooxygenase-Mutanten weiterhin Sulfonolipide, obwohl ihre Motilität beeinträchtigt war. Zusammenfassend identifiziert diese Arbeit ein bislang unbekanntes Schlüsselenzym der Sulfobacin-Biosynthese, eine mutmaßliche Sulfobacin-Synthase, die essenziell für die Motilität von F. johnsoniae ist.
Abstract
(Englisch)
Sulfobacins are bacteria-derived bioactive sulfonolipids that suppress inflammation and macrophage polarization in the mammalian gut, indicating an immunomodulatory function. Moreover, they are essential for gliding motility in Flavobacterium johnsoniae and induce multicellularity in choanoflagellates. Sulfobacins are structurally related to ceramides, a subclass of sphingolipids characterized by a serine-derived amino alcohol backbone (sphinganine) that is N-acylated to a fatty acid. Ceramides act as bioactive signaling molecules in eukaryotes, and related sphingolipids are also produced by certain gut bacteria. Sulfobacins are formed by N-acylation of a capnine base, the sulfonated analog of sphinganine. The initial steps of this pathway involve the condensation of cysteate with an acyl-carrier protein catalyzed by cysteate acyl-ACP transferase (SulA) and the reduction of 3-ketocapnine to capnine by dehydrocapnine reductase. However, the enzymes required for the final synthesis of sulfobacins from capnine remain unknown. The aim of this thesis was to characterize the yet unknown genes involved in sulfobacin biosynthesis using Flavobacterium johnsoniae, a genetically accessible model organism. Comparative genomics of bacterial ceramide pathways suggested the presence of two cysteate synthase genes and a potential sulfobacin synthase gene catalyzing N-acylation of the capnine base. In addition, two putative monooxygenases were identified as candidate genes involved in the biosynthesis of a hydroxylated sulfobacin variant. To test the function of the proposed genes, markerless deletion and frameshift mutants of F. johnsoniae were generated. Lipid extracts from deletion mutants were analyzed by lipidomics, and gliding motility phenotypes were evaluated microscopically. Gliding motility was completely lost in the putative sulfobacin synthase mutant strain. Lipidomic profiling confirmed the absence of sulfobacins and accumulation of the precursor capnine in the sulfobacin synthase mutant, supporting the role of the deleted gene in sulfobacin biosynthesis. In contrast, monooxygenase mutants retained sulfonolipid production despite impaired motility. In conclusion, this work identifies a previously unknown key enzyme in sulfobacin biosynthesis, a putative sulfobacin synthase, which is essential for gliding motility in F. johnsoniae.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Sulfonolipid Biosynthese Gene Sulfobacin
Schlagwörter
(Englisch)
Solfonolipid biosynthesis genes Sulfobacin
Autor*innen
Theresa Heidi Villunger
Haupttitel (Englisch)
Genetic insights into sulfobacin biosynthesis in Flavobacterium johnsoniae
Paralleltitel (Deutsch)
Genetische Einblicke in die Biosynthese von Sulfobacinen in Flavobacterium johnsoniae
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
88 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Alexander Loy
Klassifikation
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC17814318
Utheses ID
79971
Studienkennzahl
UA | 066 | 838 | |