Methyltransfer-Reaktionen im reduktiven Acetyl-Coenzym A Weg

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Dobbek
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 186145375

Anaerob lebende Bakterien und Archaeen verwenden homologe Enzyme zur Umwandlung von CO2 und H2 zu Acetyl-CoA und Methan, die seit der Frühphase der biologischen Evolution den globalen Kohlenstoff-Kreislauf bestimmen. Ziel meiner Forschung ist die Chemie und Evolution des C1-Metabolismus anaerober Mikroorganismen zu verstehen.In der letzten Förderperiode haben wir uns auf drei Proteine im Methyltransfer des reduktiven Acetyl-CoA-Weges konzentriert. Wir konnten zeigen, dass orf7 im Cluster der Acetyl-CoA Gene für den reduktiven Aktivator des zentralen B12-abhängigen Methylgruppen-Akzeptors und Donors CoFeSP kodiert. Dazu katalysiert der Aktivator einen ATP-abhängigen intermolekularen Elektronentransfer entgegen eines Redoxpotential-Gradienten zwischen einem [2Fe2S]-Cluster und einem Co(II)-Ion. Die Struktur des Komplexes aus Aktivator und CoFeSP sowie spektroskopische und kinetische Untersuchungen haben einen neuartigen Weg aufgezeigt, wie der Aktivator das Redoxpotential des Kofaktor im Empfängerprotein verändert. Für das CoFeSP, konnten wir einen FRET-Assay entwickeln und mit PELDOR-Messungen kombinieren, die uns nun erlauben die Größenordnung der konformationellen Änderungen (PELDOR-Spektroskopie) in Bezug zur Kinetik der Konformationsänderungen (stopped-flow FRET-Kinetik) zu setzen. Die finale Reaktion in der Acetyl-CoA Bildung katalysiert die Acetyl-CoA-Synthase, deren instabiles Ni,Ni-[4Fe4S]-Zentrum wir in einem verkürzten Konstrukt erstmals mit einer Auflösung (dmin= 1.4 Å) bestimmen konnten.In der nächsten Förderperiode sollen (I) die weiteren Fragen zum Mechanismus des reduktiven Aktivators geklärt werden, wie Funktion und Mechanismus der ATP-Hydrolyse und die Rolle der Dissoziation des CoFeSP-Aktivator Komplexes für den Elektronentransfer. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Reaktion soll ebenso bestimmt werden, wie die Position der elektronenspendenden [2Fe2S]-Cluster Domäne im Komplex. (II) Wo die Substrate und Intermediate CO, CH3CO+, CH3+ und Coenzym A am Ni,Ni-[4Fe4S]-Zentrum der Acetyl-CoA-Synthase binden, ist noch unbekannt und wir wollen die gute Qualität unserer Kristalle nutzen, um erste Einblicke in die Substratbindung zu bekommen. (III) Wir wollen auch die homologen Enzyme methanogener Archaeen untersuchen, die im Gegensatz zu den bakteriellen Proteinen einen etwa 2,5 MDa schweren Komplex aus Acetyl-CoA-Synthase, CoFeSP und Kohlenmonoxid-Dehydrogenase bilden, in dem die Reaktionen der drei Enzyme auf noch unbekannte Weise koordiniert werden. Während bakterielles CoFeSP durch eine Methyltetrahydrofolate-abhängige Methyltransferase methyliert wird, kann das CoFeSP-Homologe aus Methanogenen sich selbst mit CH3-Methanopterin methylieren. Der Vergleich der Enzyme von Bakterien und Archaeen wird weitere Einblicke in die Frühphase der Evolution B12-abhängiger Methyltransferasen und des Ursprungs von Methanogenese und reduktivem Acetyl-CoA Weg geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen