Cyjanobakterie gromadzą glikogen jako główny magazyn węglowodanów węgla z CO2 utrwalonego w świetle w procesie fotosyntezy. Glikogen to glikan składający się z liniowego glukanu połączonego α-1,4 z gałęziami utworzonymi przez wiązania glukozylowe połączone α-1,6. Biosynteza glikogenu w sinicach rozpoczyna się od przekształcenia glukozo-6-fosforanu w ADP-glukozę poprzez sekwencyjne działanie fosfoglukutazy i pirofosforylazy ADP-glukozy. Ugrupowanie glukozy w ADP-glukozie jest przenoszone do nieredukującego końca szkieletu α-1,4-glukanu glikogenu przez jedną lub więcej syntaz glikogenu (GlgA). Następnie rozgałęziające się enzymy wprowadzają wiązanie glukozylowe połączone z α-1,6, które jest dalej rozszerzane w celu wytworzenia cząsteczki glikogenu. W ciemności glikogen jest rozkładany przez fosforylazę glikogenu, enzymy rozgałęziające glikogen, α-glukanotransferazę i fosforylazę malto-dekstrynową na fosforylowaną glukozę i wolną glukozę. Zasilają one szlaki kataboliczne, w tym oksydacyjny szlak pentozofosforanowy, szlak Embdena-Meyerhofa-Parnasa (glikoliza) i szlak Entnera-Doudoroffa1,2,3,4.
Metabolizm glikogenu u cyjanobakterii cieszy się coraz większym zainteresowaniem w ostatnich latach ze względu na możliwość przekształcenia się cyjanobakterii w fabryki komórek mikrobiologicznych napędzanych światłem słonecznym do produkcji chemikaliów i paliw. Metabolizm glikogenu można zmodyfikować w celu zwiększenia wydajności produktów, ponieważ glikogen jest największą elastyczną pulą węgla w tych bakteriach. Przykładem jest sinica Synechococcus sp. PCC 7002, która została genetycznie zmodyfikowana w celu produkcji mannitolu; Genetyczne zakłócenie syntezy glikogenu zwiększa wydajność mannitolu 3-krotnie5. Innym przykładem jest produkcja bioetanolu z Synechococcus sp. z nasyconym glikogenem dzikim typem PCC 70026. Zawartość glikogenu w komórkach typu dzikiego może wynosić do 60% suchej masy komórki podczas głodu azotu6.
Nasze zrozumienie metabolizmu i regulacji glikogenu również poszerzyło się w ostatnich latach. Podczas gdy wiadomo, że glikogen gromadzi się w świetle i jest katabolizowany w ciemności, szczegółowa kinetyka metabolizmu glikogenu podczas cyklu dziennego została ujawniona dopiero niedawno w Synechocystis sp. PCC 68037. Ponadto zidentyfikowano kilka genów wpływających na akumulację glikogenu. Godnym uwagi przykładem jest odkrycie, że przypuszczalna kinaza histydynowa PmgA i niekodujące RNA PmgR1 tworzą kaskadę regulatorową i kontrolują akumulację glikogenu. Co ciekawe, mutanty delecyjne pmgA i pmgR1 gromadzą dwa razy więcej glikogenu niż dziki szczep Synechocystis sp. PCC 68038,9. Wiadomo również, że inne elementy regulatorowe wpływają na akumulację glikogenu, w tym alternatywny czynnik sigma E i czynnik transkrypcyjny CyAbrB210,11.
Wraz ze wzrostem zainteresowania regulacją i metabolizmem glikogenu, uzasadniony jest szczegółowy protokół opisujący określanie zawartości glikogenu. W literaturze stosuje się kilka metod. Hydroliza kwasowa, po której następuje oznaczenie zawartości monosacharydów za pomocą wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej anionowymiennej w połączeniu z pulsacyjnym detektorem amperometrycznym lub oznaczanie spektrometryczne po traktowaniu kwasem i fenolem są szeroko stosowanymi metodami przybliżania zawartości glikogenu9,10,12,13. Jednak wysokociśnieniowy chromatograf cieczowy z anionowymiennością jest bardzo drogi i nie odróżnia glukozy pochodzącej z glikogenu od glukozy pochodzącej z innych koniugatów glikokoniugatów zawierających glukozę, takich jak sacharoza14, glucosylglycerol15 i cellulose16,17,18, o których wiadomo, że kumulują się w niektórych gatunkach sinic. Metoda kwasowo-fenolowa może być wykonywana przy użyciu standardowego sprzętu laboratoryjnego. Używa jednak wysoce toksycznych odczynników i nie odróżnia glukozy pochodzącej z różnych glikokoniugatów, ani nie odróżnia glukozy od innych cukrów prostych, które stanowią materiał komórkowy, takiego jak glikolipidy, lipopolisacharydy i matryce zewnątrzkomórkowe12. Warto zauważyć, że test gorący kwasowo-fenolowy jest często stosowany do oznaczania całkowitej zawartości węglowodanów, a nie do konkretnego oznaczania zawartości glukozy12. Enzymatyczna hydroliza glikogenu do glukozy przez α-amyloglukozydazę, a następnie wykrywanie glukozy za pomocą testu sprzężonego z enzymami generuje odczyt kolorymetryczny, który jest bardzo czuły i specyficzny dla glukozy pochodzącej z glikogenu. Swoistość można dodatkowo zwiększyć dzięki preferencyjnemu wytrącaniu glikogenu z lizatów komórkowych przez etanol5,8,19.
Tutaj opisujemy szczegółowy protokół enzymatycznego testu zawartości glikogenu w dwóch najczęściej badanych gatunkach sinic, Synechocystis sp. PCC 6803 i Synechococcus sp. PCC 7002, w szczepach typu dzikiego i zmutowanych. Aby zapewnić efektywną hydrolizę, stosuje się koktajl α-amylazy i α-amyloglukozydazy8. Endodziałająca α-amylaza hydrolizuje wiązania α-1,4 w różnych glukanach do dekstrytyn, które są dalej hydrolizowane do glukozy przez egzodziałającą α-amylogozydazę20. Synergiczne działanie tych enzymów jest dobrze znane, a enzymy te są rutynowo wykorzystywane do selektywnej hydrolizy skrobi, która jest α połączonym glukanem, podobnym do glikogenu, bez wpływu na inne glikokoniuganty, takie jak celuloza, w biomasie roślinnej 21. Uwolniona glukoza jest wykrywana ilościowo po teście sprzężonym z enzymami składającym się z oksydazy glukozowej - która katalizuje redukcję tlenu do nadtlenku wodoru i utlenianie glukozy do laktonu - i peroksydazy - która wytwarza różowy barwnik chinoneiminowy z nadtlenku wodoru, związku fenolowego i 4-aminoantypiryny22.