Characterization of a novel type of benzene ring reductase in Geobacter metallireducens

Final Report Abstract

Die Vielzahl der aromatischen Wachstumssubstrate wird in anaeroben Bakterien zunächst in das zentrale Zwischenprodukt Benzoyl-CoA überführt, welches im sogenannten Benzoyl-CoA-Abbauweg weiter metabolisiert wird. Schlüsselenzyme des Benzoyl-CoA-Abbauwegs sind dearomatisierende Benzoyl-CoA Reduktasen. In fakultativen Anaerobiern handelt es sich dabei um ATP-abhängige FeS-Enzyme. Homologe Strukturgene dieser Enzyme sind in allen aromatenabbauenden fakultativen Anaerobiern verbreitet; sie fehlen jedoch in den Genomen der obligat anaeroben Geobacter metallireducens oder Syntrophus aciditrophicus. Diese Befunde ließen vermuten, dass obligate Anaerobier einen alternativen, wahrscheinlich W/Mo- und Se-enthaltenden Benzoyl-CoA Reduktase-Komplex enthalten, der im vorliegenden Projekt näher untersucht werden sollte Im Laufe des Projekts wurden folgende Ergebnisse erzielt/Erkenntnisse gewonnen: (1) Die Reinigung und Charakterisierung von hochspezifischen Cyclohexa-1,5-dienoyl-CoA Hydratasen in den obligat anaeroben, aromatenabbauenden Geobacter metallireducens und Syntrophus aciditrophicus wurde als indirekter Hinweis dafür gewertet, dass Cyclohexa-1,5- Dienoyl-CoA das Produkt aller Benzoyl-CoA Reduktasen darstellt. (2) Die Folgeenzyme des Benzoyl-Abbauweges wurden in G. metallireducens und S. aciditrophicus gereinigt und charakterisiert, was wiederum Cyclohexa-1,5-dienoyl-CoA als Produkt der Ringreduktase bestätigte. Darüber hinaus gelang es aufgrund der hohen Konserviertheit des Gens der Ring-hydrolysierenden Hydrolase erstmalig eine degenerierte Gensonde für die Gesamtheit aller anaeroben Aromatenabbauer zu entwickeln und anzuwenden. (3) Durch eine differentielle Membranproteom-Analyse gelang es eine Reihe bisher unbekannter, Benzoatinduzierter Proteine identifizieren denen Funktionen beim Recyceln von Redox-Äquivalenten, Sauerstoffschutz, Wolframat-Transport, oder Energiestoffwechsel zugeordnet wurden. (4) Mit der Entwicklung eines in vitro-Assays wurden die Voraussetzungen für die mittlerweile erfolgte erstmalige Charakterisierung der Wolfram-abhängigen Klasse von Benzoyl-CoA Reduktasen in obligat anaeroben Bakterien geschaffen.

Publications

• Cyclohexa-1,5-diene-1-carbonylcoenzyme A (CoA) hydratases of Geobacter metallireducens and Synthrophus aciditrophicus: Evidence for a common Benzoyl-CoA degradation pathway in facultative and strict anaerobes, J Bacteriol 189, 1055-1060
  Peters F., Shinoda Y., McInerney M. J. and Boll M.
  
• 6-Oxocyclohex-1-ene-1-carbonyl-coenzyme A hydrolases from obligately anaerobic bacteria: characterization and identification of its gene as a functional marker for aromatic compounds degrading anaerobes, Environ Microbiol 10, 1547-1556
  Kuntze K., Shinoda Y., Moutakki H., McInerney M.J., Vogt C., Richnow H.H. and Boll M.
  
• Differential membrane proteome analysis reveals novel proteins involved in the degradation of aromatic compounds in Geobacter metallireducens, Mol Cell Proteomics 8, 2159-69
  Heintz D., Gallien S., Wischgoll S., Ullmann A.K., Schaeffer C., Kretzschmar A.K., van Dorsselaer A. and Boll M.
  
• Identification and characterization of the tungsten-containing class of benzoylcoenzyme A reductases., Proc Natl Acad Sci USA 106:17687-92
  Kung J.W., Löffler C., Dörner K., Heintz D., Gallien S., van Dorsselaer A., Friedrich T. and Boll M.