Kohlenhydratstoffwechsel

Der zentrale Kohlenhydratstoffwechsel in Cyanobakterien und Pflanzen umfasst die Photosynthese, die CO₂-Fixierung über den Calvin-Benson-Bassham (CBB) Zyklus, den Abbau von Kohlenhydraten über glykolytische Routen (Glykolyse und oxidativer Pentosephosphat (OPP) - Weg), den Zitratzyklus und die Atmungskette. Das Leben auf unserer Erde beruht substanziell auf Photosynthese und CO₂-Fixierung photoautotropher Organismen. Diese Prozesse liefern anderen Lebewesen Energie, Kohlenhydrate und eine Vielzahl weiterer Stoffwechselprodukte. In Abwesenheit von Licht greifen Cyanobakterien auf ihre eigenen Kohlenhydratspeicher zurück und versorgen damit ihren eigenen Stoffwechsel. Der Wechsel zwischen Tag und Nacht erfordert also ein Umschalten von einem photoautotrophen auf einen heterotrophen Stoffwechsel. Tagsüber werden Kohlenhydrate auf- und nachts wieder abgebaut. Daneben gibt es Mischformen. Cyanobakterien können im Licht Kohlenhydrate aus ihrer Umgebung aufnehmen und parallel zur CO₂-Fixierung verstoffwechseln. Die Zellen leben dann photomixotroph. 

Als Prokaryoten sind Cyanobakterien praktisch nicht kompartimentiert – mit Ausnahme der Carboxysomen, in denen sich das CO₂-fixierende Enzyme Rubisco befindet. Photosynthese und Atmungskette teilen sich in Cyanobakterien eine Membran und die CO₂-Fixierung und der Abbau von Kohlenhydraten finden im Cytosol statt. Wir untersuchen wie diese Prozesse im zentralen Kohlenhydratstoffwechsel aufeinander abgestimmt und reguliert werden (Makowka et al., 2020, Schulze et al., 2022, Lucius et al. 2022, Doello et al, 2024, Caliebe et al., 2025, Ojha et al., 2026).

Glykolytische Routen und CO₂-Fixierung sind gegenläufige Prozesse. Im ersten Fall werden Kohlenhydrate abgebaut, im zweiten Fall werden sie gebildet. Die Glykolyse und der OPP -Weg teilen sich eine Vielzahl von Enzymen mit dem CBB-Zyklus. Um Substratzyklen bzw. eine gegenseitige Inhibierung zu vermeiden ist eine Feinabstimmung wichtig. Wenn Zellen aus der Dunkelheit ins Licht gebracht werden, läuft der CBB-Zyklus mit einer gewissen Verzögerung an. Wir konnten im Cyanobakterium Synechocystis zeigen, dass die glykolytischen Routen unter diesen Bedingungen zu Shunts verkürzt sind, die das Starten des CBB-Zyklus unterstützen (Makowka et al., 2020). Unter photomixotrophen Bedingungen füllen glykolytische Shunts den CBB-Zyklus als anaplerotische Reaktionen auf und beschleunigen so die CO₂-Fixierung (Schulze et al. 2022). 

Die promiskuitive Aldolase Eda (Sll0107)

Unser besonderes Interesse gilt der promiskuitiven Aldolase Eda (Sll0107). In vitro katalysiert sie drei verschiede Reaktionen: Sie spaltet (1) 2-Keto-3-deoxy-6-phosphogluconat (KDPG) zu Pyruvat und GAP, (2) decarboxyliert Oxalacetat zu Pyruvat und (3) spaltet 2-Keto-4-hydroxyglutarate (KHG) zu Glyoxylat und Pyruvat (Ojha, Theune et al. 2026). In vitro ist ihre präferierte Reaktion die Spaltung von KDPG. Diese Reaktion ist Teil des glykolytischen Enter-Doudoroff (ED) -Weges, der jedoch anders als von uns ursprünglich angenommen in Synechocystis nicht existiert, weil die erste Reaktion dieses Weges fehlt (Chen et al., 2016, Ojha, Theune et al. 2026). Wir möchten verstehen, welche Rolle die promiskuitive Aldolase Eda in vivo spielt. 

Modell der Stoffwechselwege in Synechocystis, mit potenziellen in vivo-Funktionen der promiskuitiven Aldolase Sll0107 (EDA) (in grün), basierend auf der in vitro gemessenen Substratpromiskuität (Ojha, Theune et al. 2026).

Referenzen

Chen, X., Schreiber, K., Appel, J., Makowka, A., Fähnrich, B., Roettger, M., Hajirezaei, M., Sönnichsen, F., Schönheit, P., Martin, W.F., Gutekunst, K.* (2016) The Entner-Doudoroff pathway is an overlooked glycolytic route in cyanobacteria and plants. Proceedings of the National Academy of Sciences, 10.1073/pnas.1521916113

Makowka, A., Nichelmann, L., Schulze, D., Spengler, K., Wittmann, C., Forchhammer, K., Gutekunst, K.* (2020) Glycolytic shunts replenish the Calvin-Benson-Bassham cycle as anaplerotic reactions in Cyanobacteria. Molecular Plant, 10.1016/j.molp.2020.02.002

Schulze, D., Kohlstedt, M., Becker, J., Cahoreau ,E., Peyriga, L., Makowka, A., Hildebrandt, S., Gutekunst, K., Portais, J., Wittmann, C. (2022) GC/MS-based ¹³C metabolic flux analysis resolves the parallel and cyclic photomixotrophic metabolism of Synechocystis sp. PCC 6803 and selected deletion mutants including the Entner-Doudoroff and phosphoketolase pathways, Microbial Cell Factories, 10.1186/s12934-022-01790-9

Lucius, S., Theune, M., Arrivault, S.,Hildebrandt, S., Mullineaux, C.W., Gutekunst, K., Hagemann, M. (2022) CP12 fine-tunes the Calvin-Benson cycle and carbohydrate metabolism in cyanobacteria. Frontiers in Plant Science, 10.3389/fpls.2022.1028794

Doello, S., Shvarev, D., Theune, M., Sauerwein, J., Klon, A., Keskin, E., Boehm, M., Gutekunst, K., Forchhammer, K. (2024) Structural basis of the allosteric regulation of cyanobacterial glucose-6-phosphate dehydrogenase by the redox sensor OpcA. Proceedings of the National Academy of Sciences, 10.1073/pnas.2411604121 

Caliebe, F., Ojha, R.S., Gruber, M., Boehm, M., Shen, L., Bräsen, C., Snoep, J.L., Forchhammer, K., Hagemann, M., Siebers, B.*, Gutekunst, K* (2025) Fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase) fine-tunes heterotrophic growth in cyanobacteria. Journal of Experimental Botany, 10.1093/jxb/eraf347

Ojha, R.S., Shen, L., Bräsen C., Snoep, J., Forchhammer, K., Hagemann, M., Gutekunst, K.*, Siebers, B.* (2026) Phosphoglucose isomerase plays a role in integrating carbon partitioning between central metabolic pathways in cyanobacteria, Plant Physiology and Biochemistry, 10.1016/j.plaphy.2026.111278

Ojha, R. S., Theune, M., Fritsche, R., Makowka, A., Boehm, M., Peraglie, C., Bräsen, C., Snoep, J. L.,Hagemann, M., Siebers, B., Gutekunst, K* (2026) Story about honest mistakes: The cyanobacterium Synechocystis has a promiscuous Entner-Doudoroff (ED) aldolase but no functional ED pathway. eLife, 10.7554/elife.111485.2