Bakterielle Sulfit-Atmung: Struktur, Funktion und Biogenese des Mcc-Systems

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Simon
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245761862

Trotz dessen hoher Reaktivität und Toxizität sind verschiedenste Mikroorganismen in der Lage, Sulfit metabolisch zu verwerten. Die assimilatorische sowie die dissmilatorische Sulfit-Reduktion sind dabei Schlüsselreaktionen im biogeochemischen Schwefelkreislauf. In der Vergangenheit wurden verschiedene Sirohäm-abhängige Sulfit-Reduktasen beschrieben und eingehend charakterisiert. In diesem Projekt wird ein Sirohäm-unabhängiges Sulfit-Reduktionssystem (genannt Mcc) bearbeitet, das eine Cytochrom c-Sulfit-Reduktase (MccA) als terminales Enzym einer spezifischen Elektronentransportkette verwendet. In der ersten Förderperiode wurde das Mcc-System des Modellbakteriums Wolinella succinogenes charakterisiert, das vom mcc-Gencluster (acht Gene) kodiert wird. Folgende Ergebnisse wurden erhalten: (I) Die Aufklärung der hochaufgelösten Kristallstruktur des MccA-Homotrimers ergab eine neuartige dreidimensionale Anordnung der insgesamt 24 Häm c-Gruppen und ein bisher beispielloses Häm c-Kupfer-Arrangement im aktiven Zentrum der Sulfit-Reduktion. Die enzymatische Aktivität der Sulfit- und Nitrit-Reduktion durch MccA wurde eingehend untersucht. (II) Das Antwort-Regulator-Protein MccR wird für die Sulfit-abhängige Induktion des Mcc-Systems benötigt. (III) Die Charakterisierung von nicht-polaren mcc-Mutanten, denen das Eisen-Schwefel-Protein MccC bzw. die vermeintliche Chinol-Dehydrogenase MccD fehlen, lässt darauf schließen, dass diese beiden Proteine am Elektronentransport zu MccA beteiligt sind. (IV) Der Sulfit-Umsatz von W. succinogenes-Zellen, die nicht in der Lage waren, 8-Methylmenachinon (8-MMK) zu bilden (Mutante W. succinogenes mqnK), war deutlich herabgesetzt, was auf die Beteiligung von 8-MMK bei der Sulfit-Atmung hindeutet. Im Rahmen des Projekts wurde die Menachinon-Methyltransferase MqnK charakterisiert, und es wurde gezeigt, dass dieses Enzym Menachinon zu 8-MMK umsetzt. MqnK ist eine neuartige radikalische S-Adenosylmethionin-abhängige Methyltransferase, die als neuartiger Biomarker für die Identifizierung von MMK-bildenden Mikroorganismen eingesetzt werden kann. Der Fortsetzungsantrag beschreibt folgende Arbeitsschwerpunkte: (I) Struktur und Funktion des Kupfer-Chaperons MccL sollen untersucht werden, um die Rolle von MccL bei der Kupferbindung im aktiven Zentrum von MccA aufzuklären. Diesbezüglich werden physiologische und biochemische Experimente vorgeschlagen. (II) Die genaue Rolle von 8-MMK bei der Sulfit-Atmung soll untersucht werden. (III) Durch Membranproteomik soll der Aufbau des Sulfit-reduzierenden Mcc-Komplexes in der Membran von W. succinogenes-Zellen charakterisiert werden. (IV) Die zelluläre Antwort auf die Anwesenheit von Sulfit soll auf der Transkriptom-Ebene untersucht werden. Insgesamt soll die Fortführung des Projekts die bisherigen Erkenntnisse zur bakteriellen Sulfit-Atmung weiter ausbauen und präzisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen