Die cis-trans-Isomerase ungesättigter Fettsäuren in Pseudomonas und Vibrio: biochemie, Molekularbiologie und physiologische Funktion eines einzigartigen stressadaptiven Mechanismus

Zusammenfassung

Die Isomerisierung von cis- zu trans-ungesättigten Fettsäuren ist ein Mechanismus, der es gramnegativen Bakterien der Gattungen Pseudomonas und Vibrio ermöglicht, sich an verschiedene Formen von Umweltstress anzupassen. Das Ausmaß der Isomerisierung korreliert offenbar mit den Fluiditätseffekten, die z.B. durch eine Temperaturerhöhung oder die Anreicherung membrantoxischer organischer Verbindungen hervorgerufen werden. Transfettsäuren werden durch direkte Isomerisierung der jeweiligen cis-Konfiguration der Doppelbindung ohne Verschiebung ihrer Position erzeugt. Die Umwandlung von ungesättigten cis-Fettsäuren in trans ist offenbar maßgeblich an der Anpassung der Membranfluidität an sich ändernde chemische oder physikalische Parameter der zellulären Umgebung beteiligt. Ein solcher adaptiver Mechanismus scheint ein alternativer Weg zu sein, die Membranfluidität zu regulieren, wenn das Wachstum gehemmt wird, z.B. durch hohe Konzentrationen toxischer Substanzen. Die Cis-Trans-Isomerase (Cti) -Aktivität ist konstitutiv vorhanden und befindet sich im Periplasma, sie benötigt weder ATP noch einen anderen Cofaktor wie NAD (P) H oder Glutathion und arbeitet in Abwesenheit einer De-novo-Synthese von Lipiden. Seine Unabhängigkeit von ATP stimmt mit der negativen freien Energie der Reaktion überein. cti codiert ein Polypeptid mit einer N-terminalen hydrophoben Signalsequenz, die während oder kurz nach dem Transport des Enzyms über die Zytoplasmamembran in den periplasmatischen Raum abgespalten wird. Eine funktionelle Häm-Bindungsstelle des Cytochrom-c-Typs wurde in dem vorhergesagten Cti-Polypeptid identifiziert, und in jüngster Zeit wurde ein direkter Beweis dafür erhalten, dass die Isomerisierung keine vorübergehende Sättigung der Doppelbindung einschließt.

1 Einleitung – Geschichte

In allen lebenden Zellen wirkt sich Stress aufgrund rigoroser Veränderungen in der Umgebung auf die Membranen aus. Dadurch kommt es zu Störungen der Membranintegrität und damit zu Beeinträchtigungen der Funktion als Barriere, als Matrix für Enzyme und als Energiewandler. Wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden, kann es zu einer Wachstumshemmung oder sogar zum Zelltod kommen. Die wichtigste adaptive Reaktion der Zellen besteht darin, die Fluidität ihrer Membranen unabhängig von den tatsächlichen Umgebungsbedingungen auf einem konstanten Wert zu halten. Eine solche als homöoviskose Anpassung bekannte Stabilisierung der Membranfluidität wird durch Veränderungen der Fettsäurezusammensetzung von Membranlipiden bewirkt, sie stellt die vorherrschende Reaktion von Bakterien auf membranaktive Substanzen oder sich ändernde Umweltbedingungen dar. Dieser grundlegende Mechanismus wurde in der berühmten Arbeit von Ingram in den späten 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts untersucht und berichtet . Bis in die späten 80er Jahre galt die cis-Konfiguration der Doppelbindung jedoch noch als die einzige, die natürlicherweise in bakteriellen Fettsäuren vorkommt. Die Verbesserung der analytischen Trenntechniken, insbesondere durch Einführung von Kapillarsäulen in die Gaschromatographie, ermöglichte eine klare Differenzierung verwandter Fettsäuremethylester und eine neue Klasse von Fettsäuren, d. H. trans-ungesättigte Fettsäuren, wurde in einigen Prokaryoten gefunden . Die ersten Berichte über Trans-Isomere ungesättigter Fettsäuren gab es erst vor 10 Jahren für Vibrio und Pseudomonas. Es konnte dann gezeigt werden, dass transungesättigte Fettsäuren in vivo aus Acetat in Pseudomonas atlantica synthetisiert wurden, obwohl aufgrund bekannter Biosynthesewege ungesättigter Fettsäuren keine Erklärung möglich war, wie solche Fettsäuren gebildet werden konnten.

Kurz nachdem nachgewiesen wurde, dass die Umwandlung von cis in trans-ungesättigte Fettsäuren einen neuen adaptiven Mechanismus darstellt, der es Bakterien ermöglicht, ihre Membranfluidität in zwei Spezies zu verändern, d.h. im psychrophilen Bakterium Vibrio sp. stamm ABE-1 als Reaktion auf einen Temperaturanstieg und in Pseudomonas putida P8 als Anpassung an toxische organische Verbindungen wie Phenole .

Unser Minireview fasst die aktuellen Erkenntnisse und Fortschritte zum Stand der Technik zusammen und legt den Schwerpunkt auf einen ziemlich effizienten und eleganten Mechanismus, der es Bakterien ermöglicht, sich an Umweltveränderungen anzupassen, die die Membranfluidität beeinflussen.

2 Physiologie und Funktion der cis–trans-Isomerase (Cti) ungesättigter Fettsäuren

Beide, in Vibrio sp. stamm ABE-1 und in P. putida P8 wird ein deutlicher Anstieg der normalerweise geringen Menge an transungesättigten Fettsäuren beobachtet, wenn Zellen erhöhten Temperaturen oder toxischen Phenolkonzentrationen ausgesetzt werden. Wachsende Zellen von P. putida reagieren konzentrationsabhängig auf Phenol, d.h. Zunahme von trans und gleichzeitige Abnahme der jeweiligen cis ungesättigten Fettsäuren korreliert mit der in der Membran akkumulierten Phenolmenge . Eine solche Umwandlung ist nicht wachstumsabhängig, wie sie auch in nicht wachsenden Zellen auftritt, in denen das Verhältnis zwischen gesättigten und ungesättigten Fettsäuren und der Gesamtmenge an ungesättigten Fettsäuren aufgrund der fehlenden Lipidbiosynthese nicht verändert werden kann . Konsequent findet die Reaktion in Zellen statt, in denen die Fettsäurebiosynthese durch Cerulenin gehemmt wird . Die Cis-trans-Umwandlung hat eine enzymartige Kinetik und erreicht ihr endgültiges Trans-zu-Cis-Verhältnis 30 min nach Zugabe der membrantoxischen Mittel. Da die Umwandlungsrate durch Chloramphenicol nicht beeinflusst wird, wurde der Schluss gezogen, dass das System konstitutiv vorhanden ist und keine De-novo-Proteinbiosynthese erfordert .

Ölsäure (C18:1Δ9cis), die normalerweise nicht von P. putida P8 synthetisiert wird, wird jedoch in supplementierten Kulturen in Membranlipide eingebaut. Nach Zugabe einer toxischen 4-Chlorphenolkonzentration wurde Ölsäure in ihr trans-Isomer, d.h. Elaidinsäure (C18:1Δ9trans), überführt. Ein solcher Befund zeigte, dass Transfettsäuren durch direkte Isomerisierung von cis zu transungesättigten Fettsäuren synthetisiert werden, ohne die Position der Doppelbindung zu verschieben . Die Zunahme der trans-ungesättigten Fettsäuren ging mit der Abnahme der jeweiligen cis-ungesättigten Fettsäure einher, während die Gesamtmenge beider bei jeder Konzentration zugesetzter Toxine konstant gehalten wurde. Das System benötigt kein ATP oder einen anderen Cofaktor wie NAD (P) H oder Glutathion. Seine Unabhängigkeit von Energie, die ATP liefert, entspricht der negativen freien Energie der Cis-trans-Reaktion .

All diese Daten führten zu der Annahme, dass die Cis–trans-Isomerisierung eine neue adaptive Reaktion in Bakterien ist, die es ihnen ermöglicht, mit Temperaturerhöhungen oder toxischen Konzentrationen membranstörender Verbindungen umzugehen, Bedingungen, die sonst ihre Membranfluidität beeinflussen würden .

Der Nutzen der Umwandlung ergibt sich aus den sterischen Unterschieden zwischen cis- und Trans-ungesättigten Fettsäuren. Ein hoher Gehalt an gesättigten Fettsäuren in Membranen ermöglicht es den Acylketten von Fettsäuren, eine optimale hydrophobe Wechselwirkung untereinander zu bilden, was schließlich zu einer dicht gepackten, starren Membran führt. Im Allgemeinen haben gesättigte Fettsäuren im Vergleich zu cis-ungesättigten Fettsäuren eine viel höhere Übergangstemperatur oder einen viel höheren Schmelzpunkt. Phospholipide mit 16:0 gesättigten Fettsäuren haben eine etwa 63°C höhere Übergangstemperatur als solche mit 16:1 cis ungesättigten Fettsäuren. Die Phasenübergangstemperatur von Membranen steigt mit zunehmenden Verhältnissen von gesättigten zu ungesättigten Fettsäuren. Die Doppelbindung einer cis-ungesättigten Fettsäure provoziert eine unbewegliche Biegung mit einem Winkel von 30 ° in der Acylkette. Dementsprechend wird das hochgeordnete Paket von Acylketten in den Membranen gestört, was wiederum zu niedrigeren Phasenübergangstemperaturen solcher Membranen führt. So ergeben ungesättigte Fettsäuren in der cis-Konfiguration mit gebogenen sterischen Strukturen (d.h. einem Knick in der Acylkette) eine Membran mit einer relativ hohen Fluidität. Im deutlichen Gegensatz dazu fehlt der langgestreckten sterischen Struktur der Trans-Konfiguration der Knick und kann sich ähnlich wie gesättigte Fettsäuren in die Membran einfügen .

Bakterien passen sich einer Erhöhung ihrer Membranfluidität an, indem sie den Sättigungsgrad ihrer Phospholipidfettsäuren erhöhen und in einigen Fällen die Konfiguration ihrer ungesättigten Fettsäuren von cis nach trans ändern. . Ein wesentlicher Nachteil von Änderungen des Sättigungsgrades als Stressreaktion ergibt sich aus seiner strikten Abhängigkeit vom Zellwachstum und der Fettsäurebiosynthese. Folglich sind Bakterien, die diesen Mechanismus verwenden, nicht in der Lage, postbiosynthetische Modifikationen ihrer Membranfluidität durchzuführen. Tatsächlich wurde beobachtet, dass Lösungsmittel eine Verschiebung des Verhältnisses von gesättigten zu ungesättigten Fettsäuren nur bis zu Konzentrationen verursachen, die das Wachstum vollständig hemmen. In Gegenwart höherer, d.h. toxischer Konzentrationen können die Zellen nicht reagieren und sind somit nicht in der Lage, sich an solche Bedingungen anzupassen oder sie sterben sogar ab. Die Isomerisierung von cis- zu trans-ungesättigten Fettsäuren fand bisher nur in Stämmen der Gattungen Pseudomonas, einschließlich der Hauptvertreter P. putida und P. aeruginosa, und Vibrio stellt eine Lösung für das Problem der Wachstumsabhängigkeit dar, da es auch in nicht wachsenden Zellen wirkt. Der Wechsel von der cis- zur trans-ungesättigten Doppelbindung hat zwar nicht den gleichen abnehmenden Effekt auf die Membranfluidität wie eine Umwandlung in gesättigte Fettsäuren, bewirkt aber dennoch einen wesentlichen Effekt auf die Steifigkeit der Membran.

Nach ersten Beobachtungen, die hauptsächlich auf phenolischen Verbindungen basierten, wurde eine Reihe organischer Lösungsmittel auf ihre Fähigkeit getestet, Cti qualitativ und quantitativ zu aktivieren. Demnach korreliert der Grad der Isomerisierung offenbar mit der Toxizität und der Konzentration organischer Verbindungen in der Membran. Die antimikrobielle Wirkung eines Lösungsmittels korreliert mit seiner Hydrophobie, ausgedrückt durch den Logarithmus des Verteilungskoeffizienten der Verbindung in einem Gemisch aus n-Octanol und Wasser (LogPow) . Organische Lösungsmittel mit einem LogPow zwischen 1 und 5 sind für Mikroorganismen hochgiftig, da sie sich bevorzugt in Membranen verteilen, wo sie eine Erhöhung der Membranfluidität bewirken und schließlich zu einer unspezifischen Permeabilisierung führen . Der Zusammenhang zwischen dem LogP-Wert einer Verbindung und ihrer Toxizität ist in Tabelle 1 dargestellt, in der 11 untersuchte Verbindungen nach ihren ansteigenden LogP-Werten aufgeführt sind. In Fig. 1 die LogP-Werte sind gegen gemessene geschätzte Konzentrationen aufgetragen, die eine 50% ige Wachstumshemmung (EC 50) verursachen, und gleichzeitig die Konzentrationen der Verbindungen, die eine halbmaximale Erhöhung des trans / cis (TC 50) -Verhältnisses von Bakterien verursachen. Somit besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Toxizität organischer Lösungsmittel und ihren Aktivierungseffekten auf Cti, dies ist jedoch völlig unabhängig von den chemischen Strukturen der Verbindungen.

Seit 1989, als ein P. putida-Stamm entdeckt wurde, der in Medien wuchs, die eine zweite Phase des allgemein hochgiftigen Toluols, Styrols oder Xylols enthielten, wurden mehrere andere P. Putida-Stämme wurden mit ähnlichen Eigenschaften gefunden , und viele Forschungsgruppen haben versucht, die Mechanismen aufzudecken, die der Lösemitteltoleranz zugrunde liegen. Bei den meisten dieser Bakterien waren Cti an der Lösemitteltoleranz beteiligt.

Nicht nur organische Lösungsmittel oder Temperaturerhöhungen, sondern auch einige andere Stressauslöser wurden auf ihre Wirkung auf Cti getestet. Zusammenfassend wurde gezeigt, dass alle membranbeeinflussenden Stimuli wie organische Lösungsmittel, osmotischer Stress (verursacht durch NaCl und Saccharose), Schwermetalle, Hitzeschock und membranaktive Antibiotika das System aktivieren . Stressbedingungen wie osmotischer Stress durch Glycerin, Kälteschock und hoher pH-Wert, von denen bekannt ist, dass sie keine Aktivatoren der zellulären K + —Aufnahme sind — die erste zelluläre Reaktion auf Membranschäden, die zu einer erhöhten Permeabilisierung führen – verursachten jedoch keine Aktivierung von Cti . Solche Befunde weisen eindeutig darauf hin, dass das cis/trans-Verhältnis vermutlich Teil eines allgemeinen Stressreaktionsmechanismus von Mikroorganismen ist .

3 Biochemie und Molekularbiologie von Cti

Im Anschluss an die physiologische Beschreibung der Gesamtfunktion von Cti in Bakterien zur Anpassung an unterschiedliche Belastungen wurden molekularbiologische und biochemische Untersuchungen durchgeführt, um dieses einzigartige adaptive Reaktionssystem zu charakterisieren.

Basierend auf Tests der Cti-Aktivität in Zellkompartimenten wurde die Zytoplasmamembran als Ort des Enzyms angesehen, an dem auch seine Substrate, die Phospholipidfettsäuren, vorhanden sind. Überraschenderweise wurde Cti dann jedoch aus der periplasmatischen Fraktion von Pseudomonas oleovorans und Pseudomonas sp. stamm E-3 . Die Klonierung des Enzyms ermöglichte seine Isolierung als His-markiertes P. putida P8-Protein, das heterolog in Escherichia coli exprimiert wurde. Cti ist ein neutrales Protein von 87 kDa und es wurde gezeigt, dass es monocistronisch transkribiert und konstitutiv exprimiert wird. Die Nukleotidsequenz des cti-Gens aus P. putida P8, P. putida DOT-T1E und P. oleovorans Gpo12 machte schließlich deutlich, dass die Isomerase eine N-terminale hydrophobe Signalsequenz besitzt, die nach Targeting des Enzyms in den periplasmatischen Raum abgespalten wird.

Es wurde eine cti-Knockout-Mutante von P. putida DOT-T1E konstruiert, die nicht in der Lage ist, cis-ungesättigte Fettsäuren zu isomerisieren. Diese Mutante hat eine Überlebensrate, wenn sie mit 0 schockiert wird.08% (vol / vol) Toluol niedriger als der Wildtyp-Stamm, und es zeigt auch eine längere Verzögerungsphase als der Elternstamm, wenn sie mit Toluol in der Gasphase zugeführt gewachsen , Ergebnisse, die eindeutig Cti in Toluol Antwort in diesem Stamm implizieren. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass die Cis–trans-Isomerisierung der einzige notwendige Anpassungsmechanismus an organische Lösungsmittel ist, da Stämme bekannt sind, die die Isomerisierung durchführen können und immer noch lösungsmittelempfindlich sind .

Holtwick et al. lieferte Beweise dafür, dass das Enzym ein Cytochrom-C-Typ-Protein ist, da sie eine Häm-Bindungsstelle im vorhergesagten Cti-Polypeptid finden konnten. Für ein Enzympräparat aus Pseudomonas sp. stamm E-3, der vermutlich homolog zum cti-Genprodukt von P. putida P8 ist, wurde vermutet, dass Eisen (wahrscheinlich Fe3+) eine entscheidende Rolle bei der katalytischen Reaktion spielt. Es wurde festgestellt, dass die Cis–trans-Isomerisierung unabhängig von der Cardiolipinsynthase ist, einem Enzym, das die langfristige Anpassung der Membran durch verbesserte Cardiolipinsynthese erleichtert .

Vor kurzem wurde der molekulare Mechanismus der Isomerisierungsreaktion aufgeklärt. In Supplementierungsversuchen mit doppelt deuterierter Ölsäure wurde gezeigt, dass Ölsäure nach Aktivierung von Cti ausschließlich in doppelt deuterierte Elaidinsäure umgewandelt wurde. Eine vorübergehende Sättigung der Doppelbindung während der Isomerisierung muss ebenso ausgeschlossen werden wie eine gekoppelte Hydratation–Dehydratisierungsreaktion. Somit wird ein enzymatischer Mechanismus vorgeschlagen: ein Enzym-Substrat-Komplex wird gebildet, in dem das elektrophile Eisen (wahrscheinlich Fe3 +), das von der im Enzym vorhandenen Häm-Domäne bereitgestellt wird, ein Elektron aus der cis-Doppelbindung entfernt und die sp2-Verknüpfung in eine sp3 überträgt. Die Doppelbindung wird dann nach Rotation in die trans-Konfiguration rekonstituiert. Ein Schema dieses vorgeschlagenen enzymatischen Mechanismus ist in Fig. 2. Ein solcher Mechanismus steht in Übereinstimmung mit ortsgerichteten Mutagenese-Experimenten, die durchgeführt wurden, um das Häm-bindende Motiv in Cti von P. putida P8 zu zerstören. Diese Mutationen führen zu einem Funktionsverlust des Enzyms und liefern somit Hinweise auf das Vorhandensein von Cytochrom c und Häm im katalytischen Zentrum des Enzyms. Da die Reaktion des Enzyms nicht von einem Cofaktor abhängt, unterscheidet sich die Cti-Aktivität von allen anderen bekannten häm-haltigen Enzymen, die auf Fettsäuren als Substrate einwirken. Ein Cofaktor ist jedoch nicht erforderlich, da keine Nettoelektronenleistung verbraucht wird.

Ein weiterer Hinweis auf seine Einzigartigkeit ergibt sich aus Ähnlichkeitssuchen: Cti zeigte keine signifikanten Ähnlichkeiten mit homologen Peptiden, wenn die vorhergesagte Aminosäuresequenz mit anderen Proteinen verglichen wurde. Wenig überraschend identifizierte der Vergleich von Aminosäuresequenzen der sieben bisher bekannten Cti-Proteine jedoch alle als häm-haltige Polypeptide vom Cytochrom-c-Typ. Unabhängig vom Taxon liegt eine Häm-Gruppe vom Cytochrom-c-Typ als hochkonserviertes Motiv und als funktionelle Domäne in allen Enzymen vor, insbesondere liegt die Häm-Bindungsstelle in Cyt-c-Proteinen zwischen Häm-Vinyl-Gruppen und den beiden Cysteinen des konservierten Häm-Bindungsmotivs CXXCH.

In allen Cti-Sequenzen der sechs bisher untersuchten Pseudomonas-Stämme ist eine N-terminale Signalsequenz vorhanden, die auf die periplasmatische Lokalisation von Cti hinweist. Eine solche Lokalisation wurde bereits für P. oleovorans und P. putida DOT-T1E nachgewiesen. Ein für die Sec-abhängige Sekretion charakteristisches Signalpeptid ist jedoch im Cti-Protein von V. cholerae nicht vorhanden. Mehrere Sequenzausrichtungen der sieben bekannten Cti-Proteine zeigten, dass Proteine aus Pseudomonas- und Vibrio-Stämmen einen phylogenetischen Baum bilden, der aus drei Hauptzweigen besteht, was auf einen gemeinsamen Vorfahren des Enzyms hindeutet. Interessanterweise stellt das vorhergesagte Polypeptid aus V. cholerae offensichtlich keine separate Gruppe dar, sondern geht von der vielfältigen Gruppe von Proteinen aus P. aeruginosa und P. sp. E-3 . Erst kürzlich haben neue Studien gezeigt, dass Gene, die cti vertraut sind, auch in den Genomen von Bakterien der Gattungen Methylococcus und Nitrosomonas vorhanden sein könnten. Es ist auch bekannt, dass diese Organismen transungesättigte Fettsäuren enthalten . Direkte physiologische oder biochemische Beweise für das Vorhandensein von Cti in diesen Bakterien fehlen jedoch noch.

4 Regulation von Cti

Eine der wichtigsten offenen Fragen bezüglich des Cti ungesättigter Fettsäuren ist, wie die Aktivität dieses konstitutiv exprimierten periplasmatischen Enzyms reguliert wird. Eine Möglichkeit wäre ein komplexes Modell, bei dem die Substrate des Enzyms, die cis-ungesättigten Fettsäuren, von der periplasmatischen Phase der Membranphospholipide abgespalten werden. Die resultierende freie ungesättigte Fettsäure würde dann durch Cti-Wirkung isomerisiert und anschließend wieder an das Lysophospholipid gebunden, was zu einem Phospholipid führt, das transungesättigte Fettsäuren enthält . Ein derart komplexes Modell stimmt jedoch nicht mit Daten überein, die die Cti-Aktivität in ruhenden Zellen und in völliger Abwesenheit von Energiequellen bestätigen , da zumindest die Wiederanbindung der modifizierten Fettsäuren an die Membran Energie benötigen würde.

Die Regulation der Enzymaktivität kann jedoch dadurch bewirkt werden, dass das aktive Zentrum des Enzyms einfach die Fähigkeit erhält, sein Substrat, die Doppelbindung, zu erreichen, was wiederum vom Fluiditätszustand der Membran abhängt. Dementsprechend spiegelt die beobachtete Regiospezifität des Enzyms das Eindringen des aktiven Zentrums der Isomerase in eine bestimmte Tiefe in der Membran wider . Die hydrophile Struktur von Cti und seine periplasmatische Lage stützen die Vermutung, dass das Enzym nur sein Ziel erreichen kann, d.h. die Doppelbindungen ungesättigter Fettsäuren, die sich in einer bestimmten Tiefe der Membran befinden, wenn die Membran durch Umgebungsbedingungen geöffnet wird, die einen Zerfall der Membran verursachen . Es wurde bereits gezeigt, dass eine Abnahme der Acylkettenreihenfolge zu einer erhöhten Penetration und Translokation von Proteinen in Membranen führen kann . Analog zu bestimmten Phospholipasen ist es denkbar, dass Cti ein tieferes Eindringen in die Membran zeigt, wenn die Anordnung der Acylketten verringert und der Abstand der Phospholipidkopfgruppen vergrößert wird. Es ist auch klar vorstellbar, dass durch eine Verringerung der Membranpackung Doppelbindungen häufiger an Membranoberflächen herangeführt werden können, was letztendlich die Interaktion mit der Isomerase erleichtert. Da die Acylkettenpackung durch Cis-zu-Trans-Isomerisierung der ungesättigten Fettsäuren erhöht wird , würde der Penetration des Proteins entgegengewirkt und gleichzeitig die cis-zu-Trans-Isomerisierung gehemmt, was schließlich zu einer engen Regulation der Acylkettenpackung ohne Beteiligung indirekter Signalmechanismen oder Signalwege führt. Nach Entfernung der membranaktiven Verbindung erfolgt die Rückgewinnung des regelmäßig niedrigen Trans-Cis-Verhältnisses höchstwahrscheinlich durch normale De-novo-Synthese von All-Cis-Fettsäuren, da der umgekehrte (trans zu cis) Prozess einen Energieeintrag erfordern würde.

Ein solches Modell zur Regulierung der Cti-Aktivität erklärt auch hinreichend den oft berichteten Zusammenhang zwischen dem Grad der Cis–trans-Isomerisierung und der Toxizität, die durch eine bestimmte Konzentration eines Umweltstressfaktors verursacht wird . Als weiteres Ergebnis der durch das Enzym katalysierten Reaktion tritt eine Verringerung der Membranfluidität auf, und da das Enzym sein Ziel nicht erreichen kann, wenn die Membranfluidität sein normales Niveau erreicht hat, wird das Enzym aus der Doppelschicht verdrängt .

5 Abschließende Bemerkungen

Obwohl die Cis-trans-Isomerisierung ungesättigter Fettsäuren nicht vollständig verstanden wurde, wurde offensichtlich, dass sie Teil eines allgemeinen Stressreaktionssystems in Pseudomonas- und Vibrio-Zellen ist. Ein weiteres Indiz für die allgemeine Funktion von Cti ist auch die oft beschriebene Abhängigkeit von der Induktion/Aktivierung anderer Stressreaktionsmechanismen .

Offensichtlich stellt es einen dringenden Anpassungsmechanismus dar, der schnelle Modifikationen von Membranen ermöglicht, um mit dem aufkommenden Umweltstress fertig zu werden. Eine solche schnelle Reaktion, die in Minuten wirkt, bietet Zeit für andere Mechanismen, die vom Zellwachstum abhängen, um ihre Rolle in der adaptiven Reaktion zu erleichtern, da die sofortige Reaktion das Überleben unter verschiedenen Stressbedingungen garantiert. In Bezug auf die Lösemitteltoleranz arbeitet offensichtlich eine Art Kaskade von schnellen (dringenden), mittel- und langfristigen Mechanismen zusammen, um eine vollständige Anpassung an Umweltstress zu erreichen. Cti stellt zweifellos eines der wichtigsten Notfallsysteme dar, die den Zellen helfen, dem ersten Toluolschock standzuhalten, und schließlich die Aktivierung und Induktion weiterer adaptiver Mechanismen ermöglichen, die schließlich die vollständige Anpassung hervorrufen .

Aufgrund seiner einfachen Funktion und Wirksamkeit und weil es ohne komplexe Vorschriften funktioniert, ist es erstaunlich, dass ein solcher Cis-trans-Isomerisierungsmechanismus in gramnegativen Bakterien nicht ubiquitär vorhanden ist. Eine mögliche Erklärung könnte das weit verbreitete Auftreten der beiden Gattungen Pseudomonas und Vibrio sein. Unter den nicht spezialisierten Bakterien sind Mitglieder der Gattung Pseudomonas als hoch anpassungsfähige Mikroorganismen bekannt, die alle Nischen einer Vielzahl von Ökosystemen erobert haben, die Boden, menschliche Haut und Meerwasser umfassen. Mitglieder der Gattung Vibrio eroberten ebenfalls eine Vielzahl von Ökosystemen, einschließlich Böden und Tiefsee. Um all diese Nischen besiedeln zu können, müssen sie äußerst flexibel und anpassungsfähig an sich ändernde Umweltbedingungen sein. Cti bietet den Zellen einen effektiven Mechanismus, um eine solche Anpassungsfähigkeit zu erreichen. Dies ist bei anderen gramnegativen Bakterien wie E. coli nicht erforderlich, die auf das Leben im Magen-Darm-Trakt von Säugetieren spezialisiert sind, wo sie ohne einen so dringenden Membrananpassungsmechanismus glücklich leben können.

Membranlipide bieten ein vielversprechendes Werkzeug als Biomarker für die Analyse mikrobieller Populationsveränderungen. Tatsächlich haben Guckert et al. haben vorgeschlagen, ein Trans / Cis-Verhältnis von mehr als 0,1 (normaler Index für die meisten Umweltproben) als Index für Hunger oder Stress zu verwenden. Da die Messung von Fettsäureprofilen in vielen Laboren zur Routinemethode geworden ist, klingt dies nach einem vielversprechenden Ansatz zur Beurteilung toxischer Wirkungen. Die Bestimmung des Trans / cis-Index kann daher eine wertvolle Option bei der Untersuchung des Toxizitätsstatus natürlicher Proben sein, insbesondere wenn wachstumsabhängige Tests nicht durchgeführt werden können, z. B. in natürlichen Lebensräumen. Das Hauptanwendungsgebiet eines solchen Indikators scheint die Messung von Toxizität und Umweltbelastung bei in situ Bioremediationsprozessen zu sein, bei denen Fettsäureprofile als Marker für ökologische Untersuchungen der Bodenmikroflora von Bedeutung sind. Zum Beispiel kann während der Bioremediation von verschmutzten Standorten der Gehalt an trans-ungesättigten Fettsäuren als Marker für allgemeinen Stress und Stressabbau verwendet werden, um den biologischen Abbauprozess zu überwachen . Die Anwendung der cis–trans-Isomerisierung als Bewertungsinstrument für die allgemeine Toxizität organischer Verbindungen wurde bereits für aromatische Carbonylverbindungen beschrieben. Weitere Studien, die darauf abzielen, die Isomerisierung von cis- zu trans-ungesättigten Fettsäuren als Indikator für Stress zu nutzen und zu verbessern, sind von entscheidender Bedeutung und können letztendlich zu einer anwendbaren Technik für die Umweltüberwachung führen.