Glucose uptake in marine cyanobacteria: regulation, expression of the transporter and effects on the proteome and metabolome

Abstract

Prochlorococcus and Synechococcus are the two photosynthetic organisms more abundant on Earth. Both have become a model in marine ecology and are responsible for a significant part of the global primary production. Previous results from our team demonstrated that Prochlorococcus can take up glucose, finding an increase in genes involved in its metabolization upon glucose addition. Later it was shown that the Pro1404/glcH gene encodes a biphasic glucose transporter in Prochlorococcus sp. Strain SS120. Also, glucose uptake was detected in natural Prochlorococcus populations in the Atlantic Ocean. Given that this gene is present in all Prochlorococcus and Synechococcus strains, we decided to perform comparative experiments to assess the capabilities for glucose utilization in several representative strains from both genera, subjected to different glucose concentrations and also to darkness. To this goal, we used a double approach, proteomics and metabolomics, analyzing also the effect of darkness on the protein expression when glucose is available. Our working hypothesis is that mixotrophy confers an evolutive advantage to Prochlorococcus over other microorganisms which share the ecological niche (oligotrophic areas in the oceans). The observed changes in glcH expression after addition of increasing concentrations of glucose indicate that Prochlorococcus and Synechococcus detect those concentrations, adapting the transporter expression accordingly. The decrease of glcH expression induced by darkness shows the active nature of glucose uptake in marine picocyanobacteria. This decrease is stronger in Prochlorococcus sp. strain MIT9313. The metabolomic and proteomic results show that Prochlorococcus and Synechococcus take up and use glucose. The addition of 5 mM glucose led to a strong metabolic change towards general anabolic patterns in all studied strains. Finally, the high affinity glucose transporter GlcH from Prochlorococcus sp. Strain SS120 has been overexpressed and purified, with the goal of performing structural studies in the future. Besides, two mutants in essential amino acid residues of the glucosa transporter GlcH from Prochlorococcus sp. strain SS120 have been constructed.

Procholorococcus y Synechococcus son los dos organismos fotosintéticos más abundantes en la Tierra. Ambos se han convertido en modelo en ecología marina, y son responsables de una parte importante de la producción primaria global. Resultados previos en nuestro grupo demostraron que Prochlorococcus puede transportar glucosa, observando un aumento en la expresión de genes implicados en su metabolización tras la adición de glucosa. Posteriormente, se demostró que el gen Pro1404/glcH codifica un transportador de glucosa de cinética bifásica en Prochlorococcus sp. SS120. Además, se detectó transporte de glucosa en poblaciones naturales de Prochlorococcus en el Atlántico. Dado que este gen está presente en todas las estirpes de Prochlorococcus y Synechococcus, decidimos realizar experimentos comparativos que abordaran las capacidades de utilización de glucosa en varias estirpes representativas de ambos géneros, sometidas a diferentes concentraciones de glucosa y también a la oscuridad. Para ello utilizamos una doble aproximación proteómica y metabolómica, analizando además el efecto de la oscuridad sobre la expresión de proteínas cuando hay glucosa disponible. Nuestra hipótesis de trabajo es que la mixotrofía confiere una ventaja evolutiva a Procholorococcus frente a otros microorganismos con los que comparte el nicho ecológico (zonas oligotróficas de los océanos). Los cambios observados en la expresión de glcH después de la adición de concentraciones crecientes de glucosa indican que Prochlorococcus y Synechococcus detectan estas concentraciones, adaptando la expresión del transportador en consecuencia. La disminución de la expresión de glcH inducida por la oscuridad muestra la naturaleza activa de la captación de glucosa en las picocianobacterias marinas. Esta disminución es más pronunciada en Prochlorococcus sp. MIT9313. Los resultados de metabolómica y proteómica demuestran que Prochlorococcus y Synechococcus absorben y utilizan glucosa. La adición de 5 mM de glucosa condujo a un fuerte cambio metabólico hacia patrones anabólicos generales en todas las estirpes estudiadas. Finalmente, el transportador de glucosa de alta afinidad GlcH de Prochlorococcus sp. SS120 ha sido sobreexpresado y purificado, con el fin de realizar estudios estructurales posteriormente. Además, se han construido por mutagénesis dirigida dos mutantes en residuos de aminoácidos esenciales del transportador de glucosa GlcH de Prochlorococcus sp. SS120.