Regulation der Astaxanthinbiosynthese in der Grünalge Haematococcus pluvialis

Abstract

Das natürliche Vorkommen der einzelligen Grünalge Haematococcus pluvialis liegt hauptsächlich in kleinen Süßwassertümpeln, Pfützen und auch in Vogeltränken. Diese Gewässer unterliegen täglichen Schwankungen der Salzkonzentration oder de Lichtintensität, die auf starke Verdunstung, Regenfälle und durch Beschattung hervorgerufen werden. Während des Lebenszyklus von Haematococcus pluvialis kann man verschiedene Stadien unterscheiden: eine grüne, freischwimmende, doppelt begeißelte Form; ein unbegeißeltes grünes Zwischenstadium, der so genannten Palmella-Form und eine Dauerform mit stark verdickter Zellwand, geißellos, mit großen Mengen an akkumuliertem rotem Pigment, dem so genannten Astaxanthin. Unter den bekannten Organismen, die Astaxantin in großen Mengen selbst herstellen können, zeigt Haematococcus pluvialis die besten Ausbeuten. Neben dem Einsatz von Astaxanthin als Farbstoff in der Fischzucht wird Astaxanthin immer wichtiger als Nahrungsergänzungsstoff mit gesundheitsfördernden Eigenschaften für den Menschen. Unter verschiedenen Stressbedingungen, wie beispielsweise stickstofflimitierende Bedingungen, unter Phosphat- oder Schwefelmangel und Salzstress kommt es zum Übergang in ein Dauerstadium und zur starken Akkumulation von Astaxanthin. Die Bedingungen, die die Astaxanthinakkumulation induzieren wurden von verschiedenen Arbeitsgruppen behandelt, die molekulare Grundlage wurde aber noch nicht detailliert untersucht und war Gegenstand meiner Doktorarbeit.Während meiner Arbeit konnte gezeigt werden, dass Haematococcus pluvialis fähig ist auf verschiedene Stressarten, wie Salzstress oder auch Lichtstress, unterschiedlich zu reagieren. Auf transkriptioneller Ebene wurden verschiedene, aber angepasste Antworten der Carotinoid- und spezifischen Astaxanthinbiosynthesegene je nach verwendetem Stress beobachtet. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Lichtinduktion der Carotinoid- und spezifischen Astaxanthinbiosynthesegene mit dem Redoxzustand des photosynthetischen Elektronentransports korreliert. Die Verwendung verschiedener spezifischer Elektronentransporthemmstoffe half bei der Eingrenzung dieses Redoxsensors. Der Redoxzustand des Plastochinon-Pools vermittelt die transkriptionelle Aktivierung der Carotinoidbiosynthesegene deren Produkte bei der Bildung von Astaxanthin beteiligt sind. Diese Untersuchungen konnten zeigen, dass nicht nur der spezifische Astaxanthinbiosyntheseweg, sondern auch die allgemeine Carotinoidbiosynthese unter der Redoxkontrolle des photosynthetischen Elektronentransports steht.Aufgrund der biotechnologischen Relevanz von Haematococcus pluvialis für die Produktion von hohen Ausbeuten an natürlichem Astaxanthin oder anderen wichtigen Carotinoiden wurde ein System zur genetischen Veränderung etabliert. Einige der Transformanten zeigten veränderte Carotinoidzusammensetzungen, die mit einem verbesserten nicht photochemischen Quenching korrelierten. Die Chlorophyllfluoreszenzmessung wurde als Methode verwendet um nach Transformanten zu suchen, die eine veränderte Xanthophyllzusammensetzung besitzen. Die Stressinduktion der Astaxanthinsynthese durch Starklicht zeigte für eine der untersuchten Transformanten eine beschleunigte Astaxanthinakkumulation im Vergleich mit dem Wildtyp. Diese Ergebnisse zeigen eindeutig, dass das entwickelte Transformationssystem zur gezielten Veränderung der Carotinoidbiosynthese in Haematococcus pluvialis geeignet ist.