Doppel-Cuban Eisen-Schwefel-Zentren: ein neuer Cofaktor in der Biologie

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Dobbek
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428096259

Anaerobe Bakterien nutzen komplexe Metalloenzyme auf der Basis von Eisen-Schwefel-Zentren, um gasförmige Substrate umzuwandeln. Einige der katalysierten Reaktionen sind Reduktionen, die für die Energieumwandlung und -erhaltung attraktiv sind, darunter die Reduktion von Protonen zu molekularem Wasserstoff und von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid. Wenn die Reduktionskraft der physiologischen Elektronen für die Umsetzung nicht ausreicht, können Elektronen durch Kopplung der ATP-Hydrolyse an den Elektronentransfer gegen einen Redoxpotentialgradienten angeregt werden. Die Elektronen akzeptierenden Proteine in diesen Systemen enthalten typischerweise ungewöhnliche Eisen-Schwefel-Zentren, an denen die katalytischen Reduktionsreaktionen ablaufen.In diesem Projekt möchte ich das Auftreten und die Funktion eines neuen Cofaktors untersuchen, der mit ATP-getriebenen Elektronentransfers auftritt. Der Cofaktor wird aus zwei [Fe4S4]-Zentren mit einem Sulfid-Liganden gebildet, wodurch ein [Fe8S9]-Zentrum entsteht. Dieses [Fe8S9] -Zentrum wurde von uns in einem Enzym nachgewiesen, das in der Lage ist, Acetylen und Hydrazin zu reduzieren. Basierend auf einem Sequenzvergleich und einem konservierten Cluster-Bindungsmotiv spekulieren wir jedoch, dass das [Fe8S9]-Zentrum in der Natur weit verbreitet ist und in mindestens drei verschiedenen Enzymklassen vorkommt. Im Rahmen dieses Projekts möchte ich (I) Mitglieder aller drei Klassen herstellen und untersuchen um zu aufzuzeigen, ob es tatsächlich drei neue Enzymklassen unterschiedlicher Strukturen mit dem neuen Cofaktor gibt. (II) Möchte ich die physiologischen Rollen des Cofaktors aufzeigen, indem ich seine Reaktivität und die Substratbindungsselektivität der assoziierten Proteinmatrizes untersuche.Die Charakterisierung eines neuartigen Eisen-Schwefel-Clusters und neuer Enzyme erfordert unterschiedlichste Fachkenntnisse, die von physiologischen Assays bis zur biophysikalischen Charakterisierung von Eisen-Schwefel-Proteinen reichen. Daher sollen die Arbeiten im Rahmen des Schwerpunktprogramms "Eisen-Schwefel für das Leben" durchgeführt werden.In einem Nebenprojekt möchte ich einen gemeinsamen Ansatz innerhalb des gleichen Schwerpunktprogramms fortsetzen, bei dem wir Schwingungsspektroskopie und Röntgenkristallographie an Einkristallen kombinieren, um Einblicke in den Mechanismus der reversiblen Wasserstoffumsetzung einer [NiFe]-haltigen Hydrogenase zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1927: Iron-Sulfur for Life