Energiekonservierung im Ech-enthaltenden thermophilen acetogenen Bakterium Thermoanaerobacter kivui

• Antragsteller: Professor Dr. Mirko Basen; Professor Dr. Volker Müller
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394854436

Acetogene Mikroorganismen nutzen H2 als Elektronendonator zur Reduktion von CO2 zu Essigsäure über den vermutlich ältesten CO2-Fixierungsweg, den Wood-Ljungdahl-Weg (WLP). Dabei besteht ihre Besonderheit darin, die Energie aus den beteiligten Reaktionen für Wachstum zu nutzen. Der Mechanismus der Energiekonservierung in Acetogenen war für lange Zeit unbekannt, wurde jedoch vor kurzem für den Modellorganismus A. woodii aufgeklärt. Dieses Bakterium besitzt eine Atmungskette, die aus nur zwei Gliedern besteht: der Natriumionen-translozierenden Fd:NAD+-Oxidoreduktase (Rnf-Komplex) und einer Na+-F1Fo - ATP-Synthase. Andere Acetogene wie das thermophile acetogene Bakterium Thermoanaerobacter kivui hingegen besitzen keinen Rnf-Komplex, in den Genomen finden sich aber Gene für membranständige, energiekonservierende Hydrogenasen (Ech). Es wird vermutet, dass Ech-Hydrogenasen Energie in Form eines Ionentransfers über die Membran konservieren. Die Ionentranslokation ist dabei an die Oxidation von Ferredoxin und die Reduktion von Protonen zu Wasserstoff gekoppelt. Dafür sprechen Hinweise aus Studien meist aus Archaeen sowie die Tatsache, dass Ech-Komplexe evolutionär mit dem Komplex I der Atmungskette verwandt sind. In diesem Projekt werden wir die Hypothese überprüfen, dass Ech-Hydrogenasen die respiratorischen Enzyme in Rnf-freien Acetogenen sind. Dazu wird das Enzym aus T. kivui gereinigt und charakterisiert. Weiterhin wird die Funktion der Ech-Hydrogenasen im Energiestoffwechsel von T. kivui mit genetischen Methoden untersucht. In einem zweiten, komplementären Ansatz werden die Gene für die Ech-Hydrogenasen deletiert. Die Analyse der Mutanten wird Einblicke in die Rolle der Ech-Hydrogenase im Stoffwechsel und in der Energiekonservierung von T. kivui als Modell eines Rnf-freien Acetogenen ergeben. Ein primäres Ziel dieser Studie wird die Entwicklung eines Protokolls zur Reinigung einer oder beider Ech Hydrogenase(n) aus T. kivui. Die genaue Zusammensetzung der Proteinkomplexe aus verschiedenen Untereinheiten wird bestimmt und die das/die gereinigte(n) Enzym(e) werden biochemisch charakterisiert werden. Letztendlich wird das gereinigte Enzym in Liposomen eingebracht, um erstmals anhand eines gereinigten Ech-Enzymkomplexes eine mögliche Energiekonservierung durch den Aufbau eines Ionengradienten zu untersuchen. Weiterhin werden wir die in unserem Labor entwickelten genetischen Methoden verwenden, um erstmals für ein acetogenes Bakterium die zelluläre Funktion einer oder beider Ech Komplexe zu untersuchen. Dafür werden einzelne Gene oder alle Gene, die für beide Ech Komplexe kodieren, deletiert werden. Der Wachstumsphänotyp und die Physiologie der ech1, ech2 und ech1ech2-Deletionsmutanten werden untersucht werden. Anschließend wird die Energiekonservierung in Membranvesikeln der Mutanten studiert, was die Frage nach der Rolle eines oder beider Ech-Komplexe in der Energiekonservierung beantworten wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen