Analyse der Plastizität des Stoffwechsels von Actinobakterien

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Bott; Professor Dr. Bernhard Eikmanns
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406563304

Actinobakterien bilden eine der ältesten und artenreichsten Abteilungen der Bakterien und umfassen wichtige Pathogene wie Mycobacterium tuberculosis, wertvolle Quellen von Antibiotika wie Streptomyceten und bedeutende industrielle Zellfabriken wie Corynebacterium glutamicum. Es gibt großes Interesse und eine zunehmende Notwendigkeit, das Verständnis der Physiologie von Actinobakterien auf molekularer Ebene zu erweitern und zu verbessern, sowohl für therapeutische als auch für biotechnologische Zwecke. Das derzeitige Wissen zu Bakterien stammt häufig von Modellorganismen wie Escherichia coli und Bacillus subtilis, die nicht zu den Actinobakterien gehören. Neue Untersuchungen haben jedoch einzigartige Merkmale des Stoffwechsels und seiner Regulation in Actinobakterien offenbart. Im Rahmen des METACTINO-Antrags wird ein integrativer Ansatz verfolgt, der molekulare Mikrobiologie, Proteinbiochemie und Strukturbiologie kombiniert, um ein detailliertes Verständnis der molekularen Mechanismen und Signaltransduktionswege zu gewinnen, die den Kohlenstofffluss am Pyruvat- und am 2-Oxoglutarat-Knotenpunkt in Actinobakterien kontrollieren. Als Modellorganismus wird C. glutamicum verwendet. Vorangegangene Studien der Antragsteller haben gezeigt, dass der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (PDH) und der 2-Oxoglutarat-Dehydrogenase-Komplex (ODH) einen neuartigen Superkomplex bilden, der starke strukturelle Abweichungen von bekannten PDHs und ODHs zeigt. Weiterhin wurde ein Protein mit einer FHA-Domäne identifziert, das die ODH-Aktivität inhibiert und damit den 2-Oxoglutarat-Fluss in Richtung L-Glutamat dirigiert. In Corynebacterium wird dieses Protein OdhI genannt, in Mycobacterium GarA. Phosphorylierung von OdhI bzw. GarA durch Ser/Thr-Proteinkinasen, insbesondere PknG, verhindert die ODH-Hemmung, jedoch sind die Signale, welche die Phosphorylierung kontrollieren, weitgehend unbekannt. Im ersten Arbeitpaket von METACTINO soll daher die Signaltransduktionskaskade entschlüsselt werden, welche die PknG-Aktivität und damit die OdhI-Phosphorylierung kontrolliert. Im zweiten Arbeitspaket, das den Pyruvat-Knotenpunkt adressiert, sollen allosterische Effektoren von PDH und ODH identifiziert und deren Einfluss auf die jeweils andere Enzymaktivität analysiert werden. Weiterhin soll die physiologische Rolle und Regulation der Pyruvat:Menachinon-Oxidoreduktase (MQO) analysiert werden, die eine alternative Möglichkeit der Pyruvat-Oxidation bietet. Das dritte Arbeitspaket zielt ab auf eine integrative strukturelle Analyse des PDH-ODH-Superkomplexes, um die Mechanismen der Regulation durch OdhI/GarA und allosterische Effektoren aufzuklären. Außerdem soll die Struktur der actinobakteriellen PQO gelöst werden. Die Ergebnisse des METACTINO-Projekts werden neue Ansatzpunkte liefern für die rationale Verbesserung der Metaboliten-Produktion mit C. glutamicum und Streptomyceten und für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze zur Bekämpfung von M. tuberculosis.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Privatdozent Marco Bellinzoni, Ph.D.