Effekte von Niedertemperatur-Plasmen auf Bio-Makromoleküle und vegetative Zellen - und bakterielle Schutzmechanismen
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes „Effekte von Niedertemperatur-Plasmen auf Bio-Makromoleküle und vegetative Zellen – und bakterielle Abwehrmechanismen“ identifizierten wir in einem genomweiten Ansatz O2- und H2O2 als die Plasmaspezies, die den stärksten Einfluss auf vegetative Bakterienzellen haben, die dem Effluenten eines µAPPJ betrieben mit He als Trägergas und einer geringen Beimischung von O2 ausgesetzt sind. Wir konnten zeigen, dass eine Überexpression der bakteriellen Entgiftungssysteme für diese Spezies, Superoxiddismutasen und Peroxidasen, zu einer erhöhten Toleranz der Bakterien gegenüber Plasma führt. Weiterhin konnten wir zeigen, dass [FeS]-Cluster-Proteine durch diese Entgiftungssysteme vor der Inaktivierung durch Plasmabehandlung geschützt werden. Auch das redox-aktivierte Protein HSP33 trägt zum Schutz bakterieller Proteine unter Plasmabehandlung bei. HSP33 wird durch Plasmabehandlung aktiviert und verhindert die Aggregation zellulärer Proteine. Als ein weiteres mögliches redox-aktiviertes Chaperon, das ebenfalls bei Plasmabehandlung aktiviert werden könnte, identifizierten wir RidA. Wir konnten zeigen, dass auch Plasmaspezies, die als sehr kurzlebig bekannt sind, wie atomarer Sauerstoff, mit organischen Molekülen in wässrigen Lösungen reagieren können. Hier diente in Wasser gelöstes Phenol als Modellsubstanz. Ob atomarer Sauerstoff auch eine Rolle bei der Behandlung von Bakterienzellen in wässriger Lösung spielt, bleibt zu untersuchen. Da uns im Projektzeitraum leider noch nicht die Plasmaquelle zur Verfügung stand, mit deren Hilfe geladene und ungeladene Plasmaspezies voneinander getrennt werden können, können wir derzeit noch keine Aussage über die Rolle von plasmagenerierten Kationen treffen. Die Projektergebnisse zu plasmaaktivierbaren Proteinen und Schutzmechanismen brachten uns auf die Idee, Plasma als Quelle für die nicht invasive in situ-Erzeugung von definierten Konzentrationen von ROS zu nutzen, und diese als Ko-Substrate für Biokatalysen durch Peroxygenasen und Peroxidasen zu nutzen. Uns gelang im Projektzeitraum ein erstes Poof-of-Principle mit der unspezifischen Peroxygenase aus Agrocybe aegerita. Auf der Basis der Projektergebnisse, insbesondere der vorläufigen Daten zur plasma-getriebenen Biokatalyse, wurde ein Teilprojekt zu diesem Thema in CRC1316 bewilligt. Dieses entwickelte sich in der ersten Förderperiode sehr gut, so dass in der zweiten Förderperiode zwei Teilprojekte unterschiedliche Aspekte der plasma-getriebenen Biokatalyse beleuchten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2018. The fate of plasma-generated oxygen atoms in aqueous solutions: non-equilibrium atmospheric plasmas as an efficient source of O(aq). Physical Chemistry Chemical Physics 20:12037-42
J. Benedikt, M. M. Hefny, A. Shaw, B. Buckley, F. Iza, S. Schäkermann, J. E. Bandow
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2019. Plasma-sensitive E. coli mutants reveal plasma resistance mechanisms. Journal of the Royal Society Interface 16:20180846
M. Krewing, F. Jarzina, T. Dirks, Britta Schubert, J. Benedikt, J.-W. Lackmann, J. E. Bandow
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2019. The molecular chaperone Hsp33 is activated by atmospheric-pressure plasma protecting proteins from aggregation. Journal of the Royal Society Interface 16:20180966
M. Krewing, J. J. Stepanek, C. Cremers, J.-W. Lackmann, B. Schubert, A. Müller, P. Awakowicz, L. Leichert, U. Jakob, J. E. Bandow
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2020. A dielectric barrier discharge plasma degrades proteins to peptides by cleaving the peptide bond. Plasma Chemistry and Plasma Processing 40:685-9622
M. Krewing, B. Schubert, J. E. Bandow
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2020. Dielectric barrier discharge plasma treatment affects stability, metal ion coordination, and enzyme activity of bacterial superoxide dismutases. Plasma Processes and Polymers 2020;e2000019
M. Krewing, C. K. Jung, E. Dobbelstein, B. Schubert, T. Jacob, J. E. Bandow
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2020. Plasma-driven in situ production of hydrogen peroxide for biocatalysis. ChemSusChem 13:2072-9
A. Yayci, Á. Gómez Baraibar, M. Krewing, E. Fernandez Fueyo, F. Hollmann, M. Alcalde, R. Kourist, J. E. Bandow
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Plasma-driven Biocatalysis (Internationales Patent WO 2020/007576 A1, 09.01.2020)
J. Bandow, A. Yayci, M. Krewing, R. Kourist, A. Gómez Baraibar
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2022. An increase in surface hydrophobicity mediates chaperone activity in N-chlorinated RidA. Redox Biology 53:102332
M. Varatniskaya, J. Fasel, A. Müller, N. Lupilov, Y. Shi, K. Fuchs, M. Krewing, C. Jung, T. Jakob, B. Sitek, J. E. Bandow, K. Carroll, E. Hofmann, L. I. Leichert
