Neue Wege in der Cofaktor-Forschung: Entdeckung und Entwicklung Coenzym F420-abhängiger Bioprozesse
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Coenzym F420 ist ein Redox-Cofaktor, der an speziellen mikrobiologischen biochemischen Prozessen wie Methanogenese, Antibiotika-Biosynthese oder Arzneimittelresistenz beteiligt ist. Darüber hinaus haben F420-abhängige Enzyme wegen ihrer Verwendung in der Biokatalyse zunehmendes Interesse auf sich gezogen. Die Hauptziele dieses Projekts waren die Identifizierung und Charakterisierung neuartiger, deazaflavin-abhängiger Enzyme/Prozesse sowie die Erleichterung der biotechnologischen Produktion und Regeneration des Cofaktors. Im Verlauf dieses Vorhabens entdeckten wir zufällig ein neues Derivat des Coenzyms F420, 3PG-F420, aus dem symbiotischen Bakterium Mycetohabitans rhizoxinica, das in Verbindung mit phytopathogenen Pilzen lebt. Wir haben die Struktur des neuen Moleküls aufgeklärt und gezeigt, dass es in seinen biochemischen Eigenschaften dem klassischen F420 ähnelt. Darüber hinaus beleuchteten wir die Biosynthese und die Evolution des neuen Cofaktor-Derivats. Insbesondere haben wir die Rolle der biosynthetischen Enzyme CofC und CofD bei der Diversifizierung der Biosynthese des Coenzyms F420 eingehend untersucht. Zusammen mit der Gruppe von M. Lammers (Greifswald) haben wir eine Kristallstruktur von CofC aus Mycetohabitans sp. B3 erhalten und konnten klären, wie die Biosynthese im Laufe der Evolution von klassischem F420 auf 3PG-F420 umgestellt wurde. Während dieses Projekts entdeckten wir auch eine wichtige Rolle von CofD bei der Substratauswahl. Im Rahmen dieser Untersuchungen gelang es uns zudem, einen wichtigen Schritt in der Biosynthese von Coenzym F420 in thermophilen Bakterien aufzuklären. Darüber hinaus produzierten wir erfolgreich 3PG-F420 und F420 im Modellorganismus E. coli und ein konnten diesen Organismus zusätzlich mit einem funktionierenden Regenerationssystem ausstatten. Damit haben wir eine einfach zu handhabende Plattform zur Durchführung von F420-abhängigen Reaktionen in E. coli geschaffen. Während Versuche erfolglos blieben, ein auf Isopropanol basierendes Regenerationssystem zu verbessern, um reduziertes F420H2 aus F420 zu regenerieren, entdeckten wir weitere Enzyme die vielversprechend für diesen Zweck sind. Nicht zuletzt haben wir Fortschritte bei der Untersuchung von 3PG-F420 in der Symbiose zwischen Bakterien der Gattung Mycetohabitans und ihrem fungalen Wirt Rhizopus microsporus erzielt. Zusammenfassend stellen wir fest, dass das geförderte Projekt zahlreiche neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Deazaflavin-Cofaktoren ans Tageslicht gebracht hat. Gerade die Entdeckung des 3PG-F420 eröffnete ein interessantes Forschungsfeld. Auch im Bereich der Biosynthese und Produktion von (3PG-)F420 wurden signifikante Fortschritte erzielt. Besonders interessant und vielversprechend für die Forschung an ungewöhnlichen Cofaktoren beleibt die Rolle von 3PG-F420 in der Bakterien-Pilz-Symbiose.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2019) Metabolic pathway rerouting in Paraburkholderia rhizoxinica evolved long-overlooked derivatives of coenzyme F420. ACS Chem Biol 14, 2088-2094
Braga, D., Last, D., Hasan, M., Guo, H., Leichnitz, D., Uzum, Z., Richter, I., Schalk, F., Beemelmanns, C., Hertweck, C., and Lackner, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acschembio.9b00605) - (2020) Redox coenzyme F420 biosynthesis in Thermomicrobia involves reduction by stand-alone nitroreductase superfamily enzymes. Appl Environ Microbiol 86
Braga, D., Hasan, M., Kröber, T., Last, D., and Lackner, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1128/aem.00457-20) - (2022) Diversification by CofC and control by CofD govern biosynthesis and evolution of coenzyme F420 and its derivative 3PG-F420. mBio 13, e03501-03521
Hasan, M., Schulze, S., Berndt, L., Palm, G. J., Braga, D., Richter, I., Last, D., Lammers, M., and Lackner, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1128/mbio.03501-21)
