Biochemie des thermophilen Abbaus von C1 und C2 Verbindungen in Thermacetogenium phaeum

• Antragsteller: Dr. Nicolai Müller
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280732050

Die Oxidation von Acetat zu CO2 durch das thermophile Bakterium Thermacetogenium phaeum findet in syntropher Kooperation mit einem methanogenen Partner und über den Wood-Ljungdahl Weg der Acetogenese (WLP) statt. Die Rolle des WLP bei der syntrophen Acetat-Oxidation ist unvollständig verstanden, da der WLP ursprünglich die entgegengesetzte, exergone Reaktion erklärte (CO2 zu Acetat). Die syntrophe Acetat-Oxidation kann daher nicht einfach eine Umkehrung des WLP sein. Die meisten Gene des WLP sind im Genom von T. phaeum nur einmal codiert, was bedeutet, dass dieselbe Reaktionskette in beiden Richtungen verwendet werden muss. Wir konnten zeigen, dass diese Reaktionskette sowohl in Acetat-oxidierendem als auch Acetat-produzierendem T. phaeum vorhanden ist, und dass Reduktionsäquivalente durch eine membranständige Formiat-Dehydrogenase zum methanogenen Partner übertragen werden. Das letztere Enzym ist ausschließlich während des syntrophen Wachstums mit Acetat vorhanden und ergänzt daher den WLP, um die entgegengesetzte Reaktion (Acetat zu CO2) zu ermöglichen.Acetatbildung findet durch den Abbau von Methanol, Ethanol, H2/CO2 oder Ethanolamin in Reinkulturen von T. phaeum statt. Unter allen Wachstumsbedingungen sind sowohl die NAD+-unabhängige Methylen-THF Reduktase (MTHFR), als auch die Aldehyd:Ferredoxin Oxidoreduktase (AOR) im Proteom abundant und aktiv in Enzymtests. Jedoch konnten die beteiligten Elektronenüberträger bislang nicht identifiziert werden, was in dem hier beantragten Folgeprojekt erreicht werden soll. Der Abbau von Ethanolamin findet in bakteriellen Mikrokompartimenten (BMC) statt, wie wir vormals mittels Elektronenmikroskopie in Dünnschnitten von T. phaeum zeigten. In künftigen Untersuchungen werden wir funktionsfähige BMC isolieren, um die Bedeutung der mit BMC assoziierten AOR und acetylierender Acetaldehyd Dehydrogenase (AcAldDH) aufzuklären. Das Genom von T. phaeum enthält nur ein Gen für AcAldDH, welches sich in einem für den Abbau von Ethanolamin verantwortlichen (eut-) Gencluster befindet, das auch die BMC-Gene bereitstellt. Anscheinend werden Gene des eut-Genclusters in T. phaeum differenziell durch Ethanolamin reguliert, und AcAldDH, die auch für den Abbau von anderen Wachstumssubstraten benötigt wird, scheint unabhängig vom Ethanolamin-Stimulus aus dem eut-Gencluster rekrutiert zu werden. Wir werden daher die regulatorischen Mechanismen dieses Genclusters näher untersuchen. Unsere vormaligen Studien zu T. phaeum während des syntrophen Wachstums mit Acetat, haben bedeutend zum Verständnis des Energiestoffwechsels dieses Bakteriums beigetragen, jedoch konnten viele Fragen zu Redox-Interaktionen der beteiligten Enzymkomplexe noch nicht beantwortet werden. Wir werden sowohl mit konventionellen, biochemischen Methoden und Enzymtests, als auch mit modernen Proteomik Methoden, insbesondere Cross-linking Proteomik, die Interaktionen dieser Enzymkomplexe während des Wachstums von T. phaeum mit C1 und C2 Verbindungen aufklären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen