Gold Metabolismus in Cupriavidus metallidurans
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die vorhergehenden Arbeiten hatten eine starke Verbindung zwischen dem Kupfer- und Gold-Metabolismus im metallresistenten Bakterium C. metallidurans aufgezeigt. In vorliegendem Projekt wurde zunächst die Kupferhomöostase, auf der der Goldmetabolismus aufsattelt, im Detail untersucht. Verantwortlich sind die Produkte der Resistenzdeterminanten cup (zentrales Produkt die Cu(I)-exportierende P-type ATPase CupA), cop (periplasmatische Cu(I)-Oxidase CopA), cus (Transenvelope-Effluxpumpe CusCBA), gig (gold induced genes, Funktion unklar) sowie Glutathion (GSH). Volle Kupferresistenz erfordert die Interaktion dieser Systeme. Die Abwesenheit von Cup führte zu den höchsten Verlusten an Resistenz in allen Mutanten. So wichtig das Cup-System auch war, allein konnte es nicht die volle Resistenz bewirken. Dazu waren die anderen Systeme notwendig, insbesondere Cop und Cus, mit kleineren Beiträgen von Gig und GSH. Auf der Grundlage dieser Kenntnis der Kupferresistenz wurde nun entdeckt, dass verschiedene Au(III)-tetrachlorid-Lösungen sich erheblich in ihrer Wirkung auf Zellen unterscheiden. Au-Ionen sind grundsätzlich nicht stabil in H2O, da sie ein positiveres Redox-Potential haben und damit H2O oxidieren können, wodurch metallisches Gold entsteht. Es kann jedoch Metastabilität durch Au-Komplexe erreicht werden, beispielsweise Au(III)Cl4, wo die vier voluminösen Cl-Ionen das Au(III)-Zentralatom umgeben und vom H2O abschirmen. Wird Au(III)Cl4- durch Oxidation von Au(0) in Königswasser hergestellt, dann ist die Stammlösung über Monate stabil, wobei sie sich langsam purpur färbt durch die Entstehung von kolloidalem Au(0), was letztendlich als braune Komplexe ausfällt. Diese Lösung wird bei Kontakt mit C. metallidurans so langsam im Periplasma zu Au(I) oxidiert, dass CopA das Au(I) oxidieren und damit sowohl seine Aufnahme ins Zellinnere limitieren als auch die Entsorgung als Gold-Nanopartikel ermöglichen kann. Wird Au(III)Cl4- jedoch durch Oxidation von Au(0) durch Chlorgas hergestellt, dann wird es in der Stammlösung durch das immer noch vorhandene Cl2 stabilisiert. Bei Kontakt mit den reduzierten zellulären Komponenten im Periplasma entsteht jedoch so schnell Au(I), dass im Vergleich zum Königswasser-Gold 20-fach mehr Gold ins Zellinnere gelangt. Außerdem hemmt das periplasmatische Au(I) alle Cu(I)-abhängigen physiologischen Vorgänge in diesem Kompartiment. Dies schließt die Metallierung von CopA durch Kupfer ein, wodurch CopA nicht die volle Aktivität erlangt und Au(I) nicht oxidieren kann. Dies zeigte deutlich, dass die chemische Umgebung von Au(III)Cl4- dessen Metastabilität beeinflusst, damit die Interaktion mit C. metallidurans, die Entstehung von periplasmatischen Gold-Nanopartikeln und folglich auch die geomikrobiologische Bildung vom sekundären Gold-Nuggets. Weitere Ergebnisse des Projektes betreffen die allgemeinen molekularen Vorgänge bei der multiplen Metall-Homöostase und die Art, wie genau periplasmatisches Cu(I) regulatorische aktiv werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Full copper resistance in Cupriavidus metallidurans requires the interplay of many resistance systems" Appl Environ Microbiol 89
Hirth, N., M. S. Gerlach, N. Wiesemann, M. Herzberg, C. Grosse & D. H. Nies
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The Sensory Histidine Kinase CusS of Escherichia coli Senses Periplasmic Copper Ions. Microbiology Spectrum, 11(2).
Rismondo, Jeanine; Große, Cornelia & Nies, Dietrich H.
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"A gold speciation that adds a second layer to synergistic gold-copper toxicity in Cupriavidus metallidurans" Appl Environ Microbiol 90
Hirth, N., N. Wiesemann, S. Krüger, M. S. Gerlach, K. Preußner, D. Galea, M. Herzberg, C. Große & D. H. Nies
