Dokument: Phylogenetische Analyse der anaeroben Corrinsynthese und Glykolyse im Kontext früher metabolischer Evolution

Titel:	Phylogenetische Analyse der anaeroben Corrinsynthese und Glykolyse im Kontext früher metabolischer Evolution
Weiterer Titel:	Phylogenetic analysis of anaerobic corrin synthesis and glycolysis in the context of early metabolic evolution
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=72586
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260318-132335-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Modjewski, Luca David [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 8,86 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 16.03.2026 / geändert 16.03.2026
Beitragende:	Prof. Dr. William F. Martin [Gutachter] Prof. Dr. Martin Lercher [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Autotrophe Theorien zur Entstehung des Lebens besagen, dass anzestraler Stoffwechsel auf Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) basiert. Diese anorganischen Komponenten bilden den Ausgangspunkt des Acetyl-CoA-Wegs, dem wohl ältesten Stoffwechselweg zur Fixierung von CO2, welcher sowohl von H2-abhängigen methanogenen Archaeen als auch acetogenen Bakterien genutzt wird. In diesem Weg der CO2-Fixierung spielen Cobamide als Teil des Corrinoid-Eisen/Schwefel-Proteins (CoFeS) eine wichtige Rolle. Sie gehören zur Gruppe der Corrine, komplexe makrozyklische Verbindungen, die ein zentral gebundenes Cobalt-Ion enthalten und deren bekanntester Vertreter Cobalamin (Vitamin B12) ist. Die Synthese von Cobalamin erfolgt entweder über eine anaerobe (sauerstoffunabhängige) oder aerobe (sauerstoffabhängige) Route und umfasst insgesamt mehr als 20 enzymatische Schritte. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst der Ursprung der Cobalaminsynthese im evolutionären Kontext analysiert. Es wird ermittelt, ob die Biosynthese von Cobalamin unabhängige Ursprünge in Archaeen und Bakterien aufweist oder ob diese möglicherweise bereits im letzten gemeinsamen Vorfahren allen Lebens (LUCA) vorhanden war. Dazu werden Phylogenien und Proteinstrukturen von 26 Enzymen untersucht, die an der anaeroben Synthese von Cobalamin und den damit verbundenen unteren Liganden beteiligt sind. Die Analyse der Proteinsequenzen von methanogenen Archaeen und acetogenen Bakterien lässt darauf schließen, dass sich die anaerobe Cobalaminsynthese in LUCA entwickelte und Enzyme aus bereits vorhanden Stoffwechselwegen übernommen wurden. Cobamide ersetzten möglicherweise, als enzymatische Cofaktoren in CoFeS, katalytisch aktive Übergangsmetalle in den ersten freilebenden Zellen und verdeutlichen exemplarisch den Übergang zwischen Geochemie und Biochemie in der frühen evolutionären Erdgeschichte. So zeigen Experimente, dass eine geochemische Variante des Acetyl-CoA-Wegs, in welchem Enzyme vollständig durch Übergangsmetalle ersetzt werden, Acetat und Pyruvat produziert. Das aus dem Acetyl-CoA-Weg hervorgehende Pyruvat bildet den Ausgangspunkt der Gluconeogenese beziehungsweise den Endpunkt der Glykolyse und stellt somit einen zentralen Aspekt im prokaryotischen Metabolismus dar. Unter der Variation an glykolytischen Routen wird der Embden-Meyerhof (EM) Weg als klassische Glykolyse bezeichnet. Dieser umfasst einige enzymatische Schritte, die reversibel sind und so ebenfalls der Gluconeogenese dienen. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Frage, ob glykolytische Stoffwechselwege einen autotrophen, gluconeogenetischen Ursprung aufweisen und welche Rolle der Energiespeicher Glykogen in diesem Zusammenhang spielt. Im Zuge dessen werden die Verteilung und Phylogenien von Enzymen des klassischen und modifizierten EM Wegs sowie Enzyme der Synthese und des Abbaus von Glykogen in einem taxonomisch ausbalancierten Datensatz prokaryotischer Genome analysiert. Eine weite Verbreitung von glykolytischen bzw. gluconeogenetischen Enzymen in H2-abhängigen, autotrophen Organismen, darunter methanogene Archaeen, die extrazelluläre Glucose nicht als Wachstumssubstrat mobilisieren können, korreliert mit einer breiten Verteilung von Enzymen des Glykogenmetabolismus. Zudem ergeben phylogenetische Rekonstruktionen, dass insbesondere die Enzyme der Energiegewinnungsphase (engl. trunk glycolysis) hoch konserviert und auf LUCA zurückzuführen sind. Dies lässt darauf schließen, dass die Glykolyse einen gluconeogenetischen Ursprung besitzt und anfangs im autotrophen Metabolismus Pyruvat über Triosephosphate in Glucose umwandelte, welche weiter zu Glykogen verkettet wurde und autotrophen Organismen als intrazelluläre Kohlenstoffreserve diente. In der Folge entwickelte sich eine Vielzahl glykolytischer Stoffwechselwege, die eine Mobilisierung von Glucose über Glykogen ermöglichten. Modern autotrophic theories on the origin of life posit that ancestral metabolism was based on hydrogen (H2) and carbon dioxide (CO2). These inorganic compounds form the starting point of the acetyl-CoA pathway, probably the oldest metabolic pathway for CO2 fixation, which is utilised by both H2-dependent methanogenic archaea and acetogenic bacteria. Cobamides play an important role in this pathway of CO2 fixation as part of the corrinoid iron-sulfur protein (CoFeS). They belong to the group of corrins, complex macrocyclic compounds that contain a centrally bound cobalt ion and whose best-known representative is cobalamin (vitamin B12). Cobalamin is synthesized either via an anaerobic (oxygen-independent) or aerobic (oxygen-dependent) route involving a total of more than 20 enzymatic steps. This work analyses the origin of cobalamin synthesis in an evolutionary context. It determines whether the biosynthesis of cobalamin has independent origins in archaea and bacteria or whether it may have already been present in the last universal common ancestor (LUCA) of all life. Phylogenies and protein structures of 26 enzymes involved in the anaerobic synthesis of cobalamin and the associated lower ligands are examined. The analysis of protein sequences of methanogens and acetogens suggests anaerobic cobalamin synthesis evolved in LUCA, often by recruiting enzymes from already existing metabolic pathways. Cobamides, as enzymatic cofactors in CoFeS, may have replaced catalytically active solid-state transition metals on the way to the first free-living cells and exemplify the transition from geochemistry to biochemistry in the early evolutionary history of Earth. Experiments show that a geochemical variant of the acetyl-CoA pathway, in which enzymes are entirely replaced by transition metals, produces acetate and pyruvate. Pyruvate synthesized by the acetyl-CoA pathway forms the starting point for gluconeogenesis as well as the end point for glycolysis, and thus represents a central aspect of prokaryotic metabolism. Among various glycolytic pathways, the Embden-Meyerhof (EM) pathway is referred to as classical glycolysis. It comprises several reversible enzymatic steps, which are therefore also serving gluconeogenesis. The second part of this work deals with the question of whether glycolytic metabolic pathways have an autotrophic, gluconeogenic origin and what role the energy storage compound glycogen plays in this context. The distribution and phylogenies of enzymes of the classical and modified EM pathway as well as enzymes of glycogen synthesis and degradation are analysed in a taxonomically balanced dataset of prokaryotic genomes. The widespread distribution of glycolytic and gluconeogenic enzymes in H2-dependent autotrophs, including methanogens that cannot mobilise extracellular glucose as a growth substrate, correlates with a broad distribution of enzymes involved in glycogen metabolism. In addition, phylogenetic reconstructions show that the enzymes of trunk glycolysis are particularly highly conserved and can be traced back to LUCA. This suggests that glycolysis has a gluconeogenic origin and initially converted pyruvate, via triose phosphates, into glucose in primordial metabolism, which was further linked to glycogen serving as an intracellular carbon reserve in autotrophic organisms. Subsequently, a variety of glycolytic metabolic pathways evolved enabling the mobilization of glucose via glycogen.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Institut für Molekulare Evolution
Dokument erstellt am:	18.03.2026
Dateien geändert am:	18.03.2026
Promotionsantrag am:	24.09.2025
Datum der Promotion:	19.02.2026