Analysis of the central carbon metabolism of the unicellular cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 in photomixotrophic and heterotrophic growth mode using 13C metabolic flux analysis

Abstract

Cyanobacteria are a promising host for sustainable production of a wide variety of biotechnological products. One of these specimens is the unicellular cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 that has been extensively studied and became a model organism for photosynthesis. Recently two novel pathways have been identified: Gens for two phosphoketolases and the Entner-Doudoroff pathway (ED). Resolution of the core metabolism of Synechocystis sp. PCC 6803 was encumbered by model topology and the unique demands for cultivation techniques. Identification of optimum tracer and analysis setups for generation of a data basis with sufficient resolution power was achieved by in silico experiments and aided by detailed analysis of cultivation methods. All optimization efforts were finalised in complete and precise resolution of the core metabolism of Synechocystis sp. PCC 6803 under photomixotrophic and heterotrophic growth regime. Photomixotrophic growth is dominated by high Calvin-Benson-Basham cycle activity that is boosted with glucose from medium, whereas heterotrophic metabolism is dominated by the oxidative branch of the pentose phosphate pathway. Tricarboxylic acid cycle was providing biomass building blocks in both growth modes. Novel pathways were found inactive during both tested conditions. This work demonstrated the impact of cultivation parameters and experimental setup on physiology.

Cyanobakterien sind eine vielversprechende Gruppe von Organismen, die für eine diverse Palette biotechnologischer Produkte genutzt werden könnten. Kürzlich wurden zwei neue Stoffwechselwege identifiziert: Zwei Phosphoketolasen und der Entner-Doudoroff-Weg. Die Auflösung des Zentralstoffwechsels wurde maßgebliche durch die einzigartigen Anforderungen an Kultivierungsmethoden und Modellierung erschwert. Detaillierte Analyse der Kultivierungssystemen und in silico basiertes experimentelles Design hat schlussendlich ermöglicht qualitativ hochwertige Markierungsdaten für metabolischen Steady-State zu generieren. Alle Optimierungs-Anstrengungen erlaubten die detaillierte Auflösung des Zentralstoffwechsel von Synechocystis sp. PCC 6803 unter photomixotrophen und heterotrophen Wachstumsbedingungen. Dabei war photomixotrophischer Metabolismus vom Calvin-Benson- Basham-Zyklus dominiert, in den Glucose aus dem Medium als zusätzliches Substrat eingeflossen ist. Unter heterotrophen Bedingungen war vor allem der oxidative Teil des Pentosephosphatweg aktiv. Unter beiden Bedingungen stellte der Tricarbonsäurezyklus Biomasse-Bausteine bereit. Neue Stoffwechselwege waren inaktiv, unabhängig vom Wachstumsregime. Diese Arbeit demonstriert den Einfluss von Kultivierungsparametern auf die Physiologie von Mikroorganismen.