Integrated Molecular Analysis of Sugar Metabolism of Sulfolobus Solfataricus
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Integrated molecular analysis of Sugar Metabolism of Sulfolobus solfataricus Stan J.J. Brouns Integrated molecular analysis of sugar metabolism of Sulfolobus solfataricus Stan J.J. Brouns Promotoren prof. dr. Willem M. de Vos hoogleraar in de Microbiologie Wageningen Universiteit prof. dr. John van der Oost persoonlijk hoogleraar Microbiologie en Biochemie Wageningen Universiteit Leden van de prof. dr. Ton J.W.G. Visser promotie bijzonder hoogleraar Microspectroscopie in de Biochemie commissie Wageningen Universiteit prof. dr. Arnold J.M. Driessen hoogleraar Moleculaire Microbiologie Rijksuniversiteit Groningen dr. Loren L. Looger Howard Hughes Medical Institute Ashburn (VA), Verenigde Staten dr. Thijs Kaper Genencor International Palo Alto (CA), Verenigde Staten Dit onderzoek is uitgevoerd binnen de onderzoekschool VLAG Integrated molecular analysis of sugar metabolism of Sulfolobus solfataricus Stan J.J. Brouns Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor op gezag van de rector magnificus van Wageningen Universiteit, prof. dr. M.J. Kropff, in het openbaar te verdedigen op dinsdag 2 oktober 2007 des namiddags te half twee in de Aula Cover Boiling water: the habitat of a hyperthermophile (photo: S.J.J. Brouns) Printing Gildeprint (Enschede) Sponsoring Hellma Benelux, bioMérieux Brouns, S.J.J. - Integrated molecular analysis of sugar metabolism of Sulfolobus solfataricus in Dutch Geïntegreerde moleculaire analyse van het suikermetabolisme van Sulfolobus solfataricus PhD Thesis Wageningen University, Wageningen, Netherlands (2007) 176 p. - with summary in Dutch ISBN 978-90-8504-713-1 Voor mijn ouders en Marloes DANkwooRD Met trots ligt ligt hier nu een boekje. Natuurlijk kon het niet totstandkomen zonder de hulp van anderen. In dit stukje wil ik die mensen bedanken. Allereerst mijn promotor John. Ik ben blij dat ik 6 jaar in je groep heb mogen werken; eerst als student, toen als AIO en nu als postdoc. Je nieuwe ideeën, onbegrensd positivisme, ex- cellente netwerkkwaliteiten en vertrouwen in iedere AIO bieden een de basis voor je succesvolle onderzoeksgroep en geven genoeg ruimte voor de persoonlijke ontwikkeling. Ik denk dat we menig idee succesvol hebben uitgewerkt. Ik kan me niet voorstellen dat ik met mijn volgende baas weer zo’n goede band kan opbouwen als met jou. Bedankt! Ook wil ik mijn promotor Willem bedanken voor inzichten, steun en supervisie op de achtergrond. Ondanks het feit dat je tientallen AIO’s onder je hoede hebt, weet je toch altijd weer tijd te vinden om iedereen van advies te voorzien. Paranimfen Harmen en Thijs E., ik wil jullie bedanken voor jullie optreden op mijn grote dag. Mede door jullie ging ik altijd met plezier naar mijn werk. Het geintjes uithalen bij elkaar en het eindeloos discussiëren bij de koffie ga ik zeker missen. Alle congressen waren wetenschappelijke vakanties en soms vol met avontuur, zoals de legendarische overnachting op de Strompoli.... Jasper Akerboom, waar zijn we samen niet geweest is eigenlijk de vraag. Onze Berlijn trips waren ongeëvenaard. Het boekje had er heel anders uitgezien als de eiwitkristallen niet tegen 100 dB aan geluid en trillingen hadden gekund, die ontstond nadat we een stuk uitlaat op de snelweg waren verloren. Door mijn langere verblijf bij BacGen heb ik twee generaties AIO’s en Postdocs kunnen mee- maken, waarvan sommigen elkaar niet eens meer kennen. Ik wil de oude garde (Corné V., Jo- han, Leon, Ana, Don, en Arjen) bedanken voor de gezelligheid en goede sfeer binnen de groep. Thijs K., leuk dat je naast de begeleider van mijn afstudeervak, nu ook opponent bent in mijn promotiecommissie. Waarschijnlijk doe ik veel dingen in het lab onbewust nog steeds “op jouw manier”. Telkens wanneer iemand vertrok dacht iedereen dat de sfeer wel een stuk minder zou worden. Dat bleek echter niet zo, slechts de gemiddelde leeftijd werd minder. Jasper W., ik wil je bedanken voor je bijdrage aan dit boekje. Jouw stage naar Zweden heeft een kentering teweeg gebracht in mijn promotieonderzoek. Hao, thanks for all your hard work. This book would not have been the same without you! Serve en Ans, jullie vaste waarde in de groep is van groot belang voor de groep en bedankt voor de gezelligheid op de werkkamer. Wim, Nees, Jannie en Francis, zonder jullie zou het lab niet draaien. Bedankt voor jullie hulp en soepele manier van omgang, iets wat Microbiologie zo kenmerkt. Ook wil ik de nieuwe garde bedanken voor hun positieve bijdrage aan de goede sfeer in het lab. Ronnie, Krisztina, Susanne, Odette, Marcel, Mark, Colin, Marco, Pawel, Marke, Corné v.d. K., Lei, veel succes de komende jaren. Bart en Fabian, ik hoop dat jullie het mysterie rond MBF1 kunnen ophelderen. Matthijs, het was zeer prettig samenwerken aan ons’ hot-topic en ik vind het jammer dat daar een eind aan gaat komen. Edze en Stieneke het allerbeste in Bologna! Ik ben mijn studenten dankbaar voor de inzet die zij tijdens hun afstudeervak getoond hebben en ben trots dat de namen van een aantal van jullie op publicaties terecht zijn gekomen. Ester, Marco, Ivor, Nicole, Hanneke, Petra en Marjon, het ga jullie goed. De geïntegreerde manier van onderzoek was alleen mogelijk door samen te werken met andere onderzoeksgroepen in Nederland, Groot-Brittannië, Zweden, Duitsland, Frankrijk en de Ve- renigde Staten. Beste Bram, jouw naam staat op drie van de negen hoofdstukken wat aangeeft dat je een grote rol van betekenis hebt gespeeld in het onderzoek. Onze complementaire expertise heeft duidelijk een win-win situatie gecreëerd waardoor we het suikermetabolisme op een meer systems biology manier in beeld konden brengen. Bedankt voor alles. Phil, thanks for making it possible. Beste Thomas, toen ik naar huis fietste nadat je me de donut structuur had opgestuurd, besefte ik hoe bijzonder het is om als één van de eersten ooit een compleet nieuwe eiwitstructuur onder ogen te krijgen. Ook al is hoofdstuk vijf het enige niet-gepubliceerde verhaal van dit boekje, ik denk dat het een grote toegevoegde waarde heeft voor het geheel. We kunnen er trots op zijn en ik wil je bedanken voor je grote bijdrage. Daar moeten we op 2 oktober bij onze eerste ontmoeting, maar eens het glas op heffen! Beste Robert, na de Protein Engineering course in 2003 is er toch een mooi samen- werkingsverband ontstaan tussen Wageningen en Utrecht wat heeft geresulteerd in een aantal fraaie publicaties. Bedankt voor je bijdrage op het gebied van de natieve massaspectrometrie. Hortense, thanks for your contribution. Laurent, although we never met, you have been a great help from the moment I con- tacted you. We could never have achieved the results described in chapter 3 and 5 without your knowledge of organic chemistry and biochemistry. Merci beaucoup! Rolf, Magnus, Peter and Anders, the arrays have played a vital role in the discovery of the degradation pathway for pentoses, and have created a number of interesting spin-off projects described in this thesis. I am thankful that you have been willing to collaborate with us, espe- cially at such an early stage of DNA microarray development. Ken, I appreciate it that you taught me all the tricks with Sulfolobus, which have helped me tremendously during my PhD. Besides work I think we had great times as well. Mark, thanks for having me in your lab. It was an unforgettable time. I’m glad that it has been the start of a good collaboration between Wageningen and Bozeman. Blake, good to hear that your staying in the CRISPR field. When are we going to play some more fussball and drink Margarita’s? Azide, thanks mate. Your name is on three chapters. Apart from raising the level of sci- entific impact of the work enormously, the X-ray trips to Berlin and Oxford were great fun as well. Tot slot wil ik mijn ouders, Imke en naaste familie bedanken voor hun motiverende woorden, morele steun en interesse die zij altijd getoond hebben, ook al was het helaas niet altijd mogelijk om jullie precies uit te leggen wat ik in het lab deed. Lieve Marloes, van dichtbij heb je kunnen meemaken hoe het onderzoek van een AIO gepaard gaat met successen en teleurstellingen. Door jouw onvoorwaardelijke steun werden slechte da- gen gerelativeerd en goede dagen gevierd. Hopelijk kunnen we nog lang veel voor elkaar blijven betekenen. Stan oktober 2007 TablE OF coNTENts Aim and outline of this thesis 1 Chapter 1 Introduction 5 Chapter 2 Reconstruction of central carbon metabolism in Sulfolobus 15 solfataricus using a two-dimensional gel electrophoresis map, stable isotope labeling and DNA microarray analysis Chapter 3 Identification of the missing links in prokaryotic pentose oxidation 31 pathways: evidence for enzyme recruitment Chapter 4 Crystal structure and biochemical properties of the D-arabinose 49 dehydrogenase from Sulfolobus solfataricus Chapter 5 Structural insight into substrate binding and catalysis of a novel 63 2-keto-3-deoxy-D-arabinonate dehydratase illustrates common mechanistic features of the FAH superfamily Chapter 6 Identification of a novela -galactosidase from the hyperthermophilic 81 archaeon Sulfolobus solfataricus Chapter 7 DNA family shuffling of hyperthermostable b-glycosidases 95 Chapter 8 Engineering a selectable marker for hyperthermophiles 111 Chapter 9 Summary and concluding remarks 129 References 133 Appendix I: Color figures 151 Appendix II: Co-author affiliations 161 Nederlandse samenvatting 162 Educational statement of graduate school VLAG 164 Curriculum vitae 165 List of publications 166 Aim and outline of this thesis 1 Aim and outline of this thesis his thesis presents the results of an integrated molecular analysis of the sugar metabolism of Tthe hyperthermophilic archaeon Sulfolobus solfataricus. The primary aim of this work has been to obtain functional insight into several aspects of sugar metabolism of S. solfataricus using a wide range of techniques. These aspects include the discovery of new sugar degrading enzymes, the elucidation of unknown metabolic pathways, and the functional and structural characteriza- tion of the enzymes involved in these new metabolic routes.