Neue Wege in der Cofaktor-Forschung: Entdeckung und Entwicklung Coenzym F420-abhängiger Bioprozesse

• Antragsteller: Professor Dr. Gerald Lackner
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408113938

Cofaktoren (Coenzyme) sind Helfermoleküle, die für die Aktivität von vielen Enzymen essentiell sind. Während einige Cofaktoren in allen Lebewesen vorkommen, sind manche in Mikroben mit spezialisiertem Stoffwechsel zu finden. So spielt z.B. Coenzym F420 eine wichtige physiologische Rolle in Methanbildnern, Tuberkulose-Erregern oder antibiotika-produzierenden Bakterien. F420-abhängige Enzyme sind hoch interessant für die Biokatalyse, da sie chemisch anspruchsvolle Reaktionen bewerkstelligen. Trotz dieser außergewöhnlichen Eigenschaften ist F420 noch sehr mangelhaft erforscht und genutzt. Ein Grund dafür ist dessen schlechte Verfügbarkeit. Die chemische Synthese ist problematisch und alle bekannten mikrobiellen Quellen sind für die Gewinnung des Cofaktors unbefriedigend. Unser Ziel ist es daher Wissenslücken in der Biosynthese von F420 zu schließen, um es im Modellbakterium Escherichia coli zu produzieren und anschließend die Produktion durch gezielte Optimierung von Genen sowie durch gerichtete Evolution zu erhöhen. Um Cofaktoren nutzen zu können, ist ein Regenerationssystem erforderlich, das den verbrauchten Cofaktor in seinen Ausgangszustand versetzt. Da jedoch alle beschriebenen Systeme Limitierungen aufweisen, wollen wir ein effizientes Regenerationssystem für F420 entwickeln. Diese Arbeiten werden die Attraktivität von F420 für die Biotechnologie erhöhen und unsere weiteren Arbeiten erleichtern.Diese zielen auf die Entdeckung neuer, F420-abhängiger Bioprozesse mit potenziellem Nutzen für die Biokatalyse ab. Unsere Vorarbeiten sowie bioinformatische Analysen mikrobieller Genome zeigen, dass Gene für F420-abhängige Enzyme weiter verbreitet sind als bisher angenommen. Die Eigenschaft dieser Enzyme an F420 zu binden ermöglicht es, diese gezielt anzureichern und auf akademisch interessante und biotechnologisch nutzbare katalytische Reaktionen zu testen. Parallel dazu untersuchen wir F420 in einem außergewöhnlichen ökologischen Kontext – in der Symbiose zwischen Bakterien und einem Schimmelpilz, dem Erreger der Reiskeimlingsfäule. Unsere Vorarbeiten zeigen, dass F420 produziert wird sobald die Bakterien in Symbiose mit ihrem Wirt leben. Im Rahmen einer Kooperation möchten wir die Funktionen von F420 in dieser Bakterien-Pilz-Interaktion aufdecken, die als ökologisches Modellsystem dient und auch für die Pflanzenpathologie von Bedeutung ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen