[Fe]-Hydrogenase: Die Biosynthese des FeGP Cofaktors und dessen katalytische Funktion

• Antragsteller: Dr. Seigo Shima, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 310432546

Der Eisenguanylylpridinol (FeGP) Cofaktor ist die prosthetische Gruppe der [Fe]-Hydrogenase, welche, im Kontext der hydrogenotrophen Methanogenese, den reversiblen Transfer eines Hydridions von H2 auf Methenyl-Tetrahydrometanopterin katalysiert. Dieser Cofaktor enthält ein low-spin Fe(II)-Atom, welches vom Acylkohlenstoff und dem Pyridinolstickstoff einer Pyrinolgruppe, zwei Kohlenmonoxidliganden und einem Cysteinschwefel koordiniert wird. Mutageneseexperimente haben gezeigt, dass diese Eisenschwefelbindung zum Cystein 176 der [Fe]-Hydrogenase wesentlich für deren Enzymaktivität ist. Die Biosynthese des Cofaktors erfolgt mittels der von den HcgA-G Proteinen katalysierten Reaktionen. Bei HcgA und HcgG handelt es sich um Eisenschwefelclusterproteine. Bisher konnten wir bereits die Funktionen von HcgB, HcgE und HcgF mit Hilfe struktureller und biochemischer Analysen identifizieren. Als mögliche Funktion von HcgD wurde von uns der Transfer von Eisen und dessen Insertion in eine Cofaktorvorstufe vorgeschlagen. In der ersten Hälfte dieses Schwerpunktprogrammes konnten wir die Funktion von HcgC als S Adenosyl Methionin abhängige Methyltransferase, sowie deren einzigartigen Mechanismus, mit Hilfe von chemisch synthetisierten Vorläufersubstanzen aufklären. Diese Ergebnisse erlaubten uns die Etablierung von Methoden zur Synthese der Guanylylpyridinolvorstufe mit HcgB and HcgC aus einer chemisch synthetisierten Pyridinolvorstufe. Weiterhin haben wir eine Enzymaktivität zur Reparatur von teilweise lichtinaktiviertem FeGP Cofaktor identifiziert. Wir konnten die Kristallstruktur der [Fe]-Hydrogenase mit atomarer Auflösung (1,06 Å) in der geschlossenen, aktiven Form lösen. Diese zeigt die genaue Position des FeGP Cofaktors, wodurch wir die katalytische Funktion des Cofaktors zeigen konnten. In der zweiten Hälfte dieses Schwerpunktprogrammes wollen wir die Biosynthese des FeGP Cofaktors weiter untersuchen. Dazu werden wir die in vitro Biosynthese des Cofaktors aus chemisch synthetisierten Vorstufen verwenden. Weiterhin wollen wir die Enzymaktivität aller weiteren Hcg Proteine biochemisch und mit Hilfe von deltahcg Stämmen untersuchen. Ein weiteres Augenmerk liegt auf der Charakterisierung der Enzymaktivität, welche den teilweise lichtinaktivierten Cofaktor reparieren kann. Als zweiten Schwerpunkt innerhalb dieses Programms werden wir die Funktion des FeGP Cofaktors im Kontext des Katalysemechanismus der [Fe]-Hydrogenase analysieren. Dazu wollen wir in Kooperation mit weiteren Gruppen in diesem Programm verschiedene Spektroskopiemethoden (Infrarot-, Mössbacher-, Resonanzraman- und Kernresonanzschwingungsspektroskopie), sowie Dichtefunktionaltheorieberechnungen verwenden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1927: Iron-Sulfur for Life