Biochemical characterization of the benzoyl-CoA pathway in Desulfobacula toluolica, Desulfococus multivorans and Desulfosarcina variabilis
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurde lange Zeit angenommen, dass der Abbau aromatischer Verbindungen durch Mikroorganismen ausschließlich in Gegenwart von Sauerstoff möglich ist. In den letzten Jahren wurden jedoch viele fakultativ und obligat anaerobe Bakterien isoliert, die aromatische Wachstumssubstrate auch ohne Sauerstoff vollständig zu CO2 abbauen können. Bislang wurde der Aromatenstoffwechsel hauptsächlich in den einfacher zugänglichen fakultativ anaeroben Bakterien untersucht. Die meisten aromatischen Wachstumssubstrate werden in das zentrale Intermediat Benzoyl-CoA überführt, welches dann im sogenannten Benzoyl-CoA Abbauweg zu drei Acetyl-CoA und einem CO2 abgebaut wird. Zu Beginn dieses Projekts war nur wenig über den Stoffwechsel aromatischer Verbindungen in obligat anaeroben Bakterien wie Sulfatreduzierer, Eisen(III)-Reduzierer oder Gärer bekannt. Im vorliegenden Projekt wurden Enzyme der Benzoyl-CoA-Abbauweg in obligat anaeroben Bakterien, vor allem in Sulfatreduzierern näher untersucht. Es wurden folgende Ergebnisse erzielt/Erkenntnisse gewonnen: (1) Das Zwischenprodukt des Benzoyl-CoA-Abbauwegs, Glutaryl-CoA wird in anaeroben Aromatenabbauern auf zwei unterschiedliche Weisen zu Crotonyl-CoA umgesetzt. Denitrifizierer und Fe(III)-Reduzierer nutzen eine decarboxylierende Glutaryl-CoA Dehydrogenase. Im Gegensatz dazu nutzen Sulfatreduzierer und Gärer – wohl aufgrund des schlechteren Energiestoffwechsels – eine nicht-decarboxylierende Glutaryl-CoA Dehydrogenase zusammen mit einer energiekonservierenden, Na+ -pumpenden Glutaconyl-CoA Decarboxylase zur Bildung von Crotonyl-CoA. (2) Die Funktion decarboxylierender und nicht-decarboxylierender Glutaryl-CoA Dehydrogenasen wurde auf molekularer Ebene mittels Röntgenstrukturanalyse von Proteinkristallen aufgeklärt. Durch Aminosäureaustausche gelang es eine decarboxylierende in eine nicht-decarboxylierende Glutaryl-CoA Dehydrogenase umzuwandeln. (3) Typische Enzyme des oberen Benzoyl-CoA Abbauwegs wie die Cyclohexa-1,5-diene-1-carbonyl-CoA Hydratase und die ringspaltende 6-Oxocyclohex-1-en-1-carbonyl-CoA Hydrolase sind in nahezu allen aromatenverwertenden Bakterien vorhanden und sehr ähnlich. Die ringspaltende Hydrolase weist auf Nukleotidebene extrem konservierte Sequenzen auf. Unter Verwendung degenerierter Oligonukleotid-Primer gelang es ein Verfahren zu etablieren, mit dem mittels PCR (in Kombination mit Klonierung/Sequenzierung oder Amplicon-Sequenzierung) das funktionelle Marker-Gen für den anaeroben Aromatenabbau in Umweltproben nachgewiesen werden kann. (4) Über eine Reihe von in vitro Tests und molekularbiologischen Tests wurde die Verbreitung der Klasse II Benzoyl-CoA Reduktase in allen obligat anaeroben Bakterien nachgewiesen. Die Aufteilung der ATP-abhängigen/unabhängigen Schlüsselenzyme scheint sich strikt nach dem Energiestoffwechsel der aromatenverwertenden anaeroben Bakterien zu richten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2007) Cyclohexa-1,5-diene-1-carbonyl- CoA hydratase of Geobacter metallireducens and Desulfococcus multivorans: evidence for a common benzoyl-CoA degradation pathway in facultative and obligate anaerobes, J. Bacteriol., 189, 1055-1060
Peters, F., Shinoda, Y., McInerney, M & Boll, M.
- (2008) 6-Oxocyclohex-1-ene-1-carbonyl-Coenzyme A Hydrolases from Obligately Anaerobic Bacteria: Characterization, Identification of its Gene as a Functional Marker for Aromatic Compounds Degrading Anaerobes. Environ. Microbiol. 10, 1547-1556
Kuntze K, Shinoda Y, Moutakki H, McInerney MJ, Vogt C, Richnow H-H, Boll, M.
- (2009) Decarboxylating and non-decarboxylating glutaryl-CoA dehydrogenases in the aromatic metabolism of obligately anaerobic bacteria, J. Bacteriol. 191, 4401-9
Wischgoll S., Taubert M., Peters F., Jehmlich N., von Bergen M. and Boll M.
- (2010) Structural basis for promoting/preventing decarboxylation in glutaryl-coenzyme A dehydrogenases, Biochemistry, 49, 5350-5357
Wischgoll, S., Demmer, U., Warkentin, E., Günther, R., Boll, M and Ermler, U.
- (2011) Conversion of a decarboxylating to a non-decarboxylating glutaryl-coenzyme A dehydrogenase by sitedirected mutagenesis. FEBS Lett. 585:1317-21
Schaarschmidt J, Wischgoll S, Hofmann HJ, Boll M.
- (2011) Occurrence, genes and expression of the W/Se-containing class II benzoyl-coenzyme A reductases in anaerobic bacteria., Environ. Microbiol. 13, 696-709
Löffler C., Kuntze K., Vazquez J.R., Rugor A., Kung J.W., Böttcher A. and Boll M.
