Die CO2-Fixierung schüren durch Entgiftung von CO: Welche Geheimnisse verbergen sich hinter der elektronenverzweigenden Hydrogenase/Formiatdehydrogenase homoacetogener Bakterien?

• Antragsteller: Dr. Tristan Wagner
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biochemie ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428142598

Die Reduktion von CO2 zu Formiat betrifft zwei große gesellschaftliche Herausforderungen: (1) die Bindung des atmosphärischen Treibhausgases CO2; (2) die sichere langfristige Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen mit Formiat als Energieträger. Diese für Chemiker so komplizierte Reaktion läuft in Mikroorganismen ständig unter Normaltemperatur und –druck ab. Wir wollen die Tricks hinter dieser durch die Formiatdehydrogenase (Fdh) katalysierten CO2-Reduktion aufdecken. Unsere Schlüsselfrage: Wie können Enzyme CO2 mittels niederpotenter Elektronen binden? Zur Beantwortung nutzen wir Modellorganismen, die die CO2-Fixierung nutzen, um sowohl Kohlenstoff als auch Energie zu gewinnen: homoacetogene Bakterien. In der Umwelt spielen sie eine entscheidende Rolle beim Recycling organischer Stoffe und der Primärproduktion. In der Biotechnologie wandeln diese "Biokonverter" Abgase (z.B. Synthesegas aus Stahlwerken) in Biokraftstoffe um. Da Abgase viel CO enthalten, welches Fdh und Hydrogenasen blockiert, sollte die zelluläre CO2-Fixierung zusammenbrechen. Clostridium autoethanogenum entwickelte jedoch eine geniale Strategie: es wandelt durch den HytA-E/Fdh-Komplex das giftige CO in einen Brennstoff für die CO2-Reduktion um. Elektronen aus NADPH und reduziertem Ferredoxin, produziert während der CO-Entgiftung, werden in HytA-E durch Elektronengabelung/Konfurkation zusammengeführt, ein kürzlich für Anaerobier beschriebener Prozess. Sein molekularer Hintergrund ist unbekannt. Vermutlich nutzt eine neue Art von tungstopterinhaltigem Fdh die fusionierten Elektronen zur CO2-Reduktion. Da die CO-Entgiftung die Umsatzkapazität von Fdh sättigen könnte, braucht das System einen "Lüfter": eine [FeFe]-Hydrogenase (HytA), die durch die Reduktion von Protonen zu H2 zusätzliche Elektronen absaugen kann. Unter H2/CO2-Bedingungen (ohne CO) versorgt HytA das Fdh mit Elektronen aus H2. In diesem Projekt wollen wir die Schlüsselstellen des Komplexes verstehen: Welcher Kofaktor treibt die Elektronenkonfiguration/gabelung an? Handelt es sich um einen neuen Kofaktor, wie wird er synthetisiert und eingebunden? Wie stimmen Hydrogenase und Fdh die Neuverteilung der Elektronen ab? Und wie reduziert Fdh CO2? Wir beginnen mit der Kultivierung verschiedener Homoacetogener unter CO, gefolgt von der nativen anaeroben Aufreinigung und Kristallisation von HytA-E/Fdh. Strukturuntersuchungen liefern Einblicke in die globale Architektur der "Maschinerie", die Zusammensetzung ihrer Kofaktoren, Elektronenwege und die wichtigsten katalytischen Rückstände bei der CO2-Hydrogenierung. Ein vollständiges Bild der mechanistischen Eigenschaften von HytA-E/Fdh können wir jedoch nur durch enge Zusammenarbeit mit den anderen Gruppen des SPP erlangen. Ergänzende physiologische, biophysikalische, spektroskopische und elektrochemische Analysen und strukturbasierte Berechnungen werden unsere Strukturhypothesen bestätigen und unser Verständnis dieses revolutionären Energiewandlers verbessern.

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