Elektronenbifurkierende Enzyme im Energiestoffwechsel des acetogenen Modelorganismus Acetobacterium woodii

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Müller
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 221575835

Bis ins Jahr 2008 waren nur zwei Mechanismen bekannt, mit denen energieabhängige Prozesse im Stoffwechsel angetrieben werden. Für Vorgänge im Cytoplasma ist die die Hydrolyse von ATP (oder anderen Nukleotiden), für membrangebundene das elektrochemische Ionenpotential über der Membran die Triebkraft. Im Jahr 2008 kam eine dritte Möglichkeit hinzu: Lösliche Enzyme, die die bei einer exergonen Redoxreaktion freiwerdende Energie nutzen, um eine endergone Redoxreaktion anzutreiben. Üblicherweise werden ein Elektronendonor, aber zwei unterschiedliche Elektronenakzeptoren genutzt. Dabei werden die Elektronen gegabelt, eins geht energetisch „bergab“, das andere energtisch „bergauf“. Da die Gabelung der Elektronen an einem Flavin erfolgt, wird dieser Mechanismus als Flavin-basierte Elektronenbifurkation (FBEB) bezeichnet. Die Entdeckung von FBEB hat unser Bild des Energiestoffwechsels in anaeroben Bakterien und Archaeen grundlegend verändert. FBEB verbessert die Effizienz des Energiestoffwechsels in Anaerobiern beträchtlich; darüberhinaus ermöglicht es autotrophen acetogenen Bakterien ein Leben mit H2 + CO2 als Energie- und Kohlenstoffquelle, ein Stoffwechselweg von dem angenommen wird, dass er der erste auf der Erde gewesen sein könnte, da er der einzige Weg ist, in dem die Fixierung von Kohlendioxid mit der Synthese von ATP einhergeht. FBEB könnte damit ein ursprünglicher Mechanismus sein, um energetische Barrieren im Stoffwechsel zu überwinden. Das acetogene Bakterium Acetobacterium woodii konserviert Energie durch Carbonat- (Acetogenese) oder Caffeat-Atmung mit molekularem Wasserstoff als Elektronendonor. In beiden Fällen besteht die Atmungskette aus einer Ferredoxin-NAD:Oxidoreduktase (Rnf-Komplex) und einer ATP-Synthase, die über einen transmembranen Na+-Gradienten miteinander gekoppelt sind. Die Reduktion von Ferredoxin mit H2 ist stark endergon. In der ersten Förderperiode haben wir eine tetramere, elektronenbifurkierende [FeFe]-Hydrogenase identifiziert, die die energetische Barriere durch FBEB bei gleichzeitiger Reduktion von NAD überwindet. Während der Caffeat-Atmung gibt es ein zweites elektronenbifurkierendes Enzym, die Caffeyl-CoA-Reduktase, die NADH als Elektronendonor nutzt und Caffeyl-CoA und Ferredoxin simultan reduziert. Dieses Enzym haben wir zusammen mit einem Elektronentransfer-Flavoprotein-Komplex isoliert, charakterisiert und die Raumstruktur aufgeklärt; letzteres ermöglichte die ersten Schritte in Richtung einer strukturbasierten Analyse des Elektronenflusses und Kopplungsmechanismus’ mittels ortsspezifischer Mutagenese. Mit dem Laktatdehydrogenase/Etf-Komplex haben wir in A. woodii ein drittes elektronenbifurkierendes Enyzm entdeckt, das offensichtlich weit in Bakterien verbreitet ist und auch anderen Bakterien ein Wachstum auf Laktat ermöglichen kann. Im Vordergrund der folgenden Untersuchungen stehen die biochemische Analyse der identifizierten Proteine, ihre Strukturaufklärung und ihre physiologische Rolle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen