Neue Lipoatbindeproteine und ihre Rolle in der Schwefeloxidation

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Christiane Dahl
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433613342

Liponsäure (1,2-Dithiolan-3-Pentansäure) ist ein Organoschwefel-Kofaktor, der in fast allen prokaryontischen und eukaryontischen Organismen vorkommt und an Schlüsselreaktionen des zentralen Kohlenstoffstoffwechsels beteiligt ist. Bislang wurden nur fünf lipoatabhängige Multienzymkomplexe charakterisiert: drei α-Ketosäure-Dehydrogenasen (z.B. die Pyruvat-Dehydrogenase), Acetoin-Dehydrogenase und der Glycin-Spaltungskomplex. Wir haben eine zusätzliche Funktion für diesen hochkonservierten Cofaktor gefunden und gezeigt, dass neuartige lipoatbindende Proteine (LbpA) als unverzichtbare Komponenten eines neuen Weges der dissimilatorischen Schwefeloxidation fungieren. In diesem Weg spielt ein Heterodisulfidreduktase (sHdr)-ähnlicher Komplex eine zentrale Rolle. Er kommt in einer großen Gruppe von Organismen vor, darunter biotechnologisch und ökologisch relevante Bakterien wie das flüchtige Organoschwefelverbindungen abbauende Alphaproteobakterium Hyphomicrobium denitrificans und viele chemolithoautotrophe Bakterien und Archaeen. In der ersten Phase unseres Projekts haben wir eine Kaskade von Schwefeltransferasen charakterisiert, die Schwefel an den schwefeloxidierenden sHdr-LbpA-Weg liefern. Wir haben gezeigt, dass LbpA-Proteine über einen neuartigen Weg assembliert werden. Wir haben außerdem erste experimentelle Belege dafür, dass LbpA-Proteine als schwefelbindende Einheiten fungieren, die das Substrat den aktiven Zentren des schwefeloxidierenden sHdr-Komplexes darbieten. Ein vollständig schlüssiges Bild der Funktion von LbpA-Proteinen kann jedoch noch nicht gezeichnet werden, und die zweite Phase des Projekts wird der Beantwortung der folgenden verbleibenden Hauptfragen gewidmet sein: [1] Ist die Schwefelbindung eine allgemeine Eigenschaft von LbpA-Proteinen aus Schwefeloxidierern? [2] Wo genau ist die Schwefelbindungsstelle in LbpA-Proteinen? [3] Ist die Schwefelbindung die einzige Funktion der LbpA-Proteine oder wechselt Lipoat während des katalytischen Zyklus des Hdr-ähnlichen Komplexes zusätzlich zwischen oxidierter und reduzierter Form, so dass zumindest ein Teil der bei der sHdr-getriebenen Schwefeloxidation freigesetzten Elektronen direkt zur Erzeugung von NADH genutzt werden kann? [4] Sind andere Schwefeltransferasen an dem Gesamtprozess beteiligt? Die Antworten auf die oben genannten Fragen sollen durch eine Kombination verschiedener experimenteller Ansätze gewonnen werden. Genetische Arbeiten werden die phänotypische Charakterisierung von H. denitrificans-Stämmen umfassen, die LbpA-Proteine mit informativen Aminosäure-Substitutionenproduzieren. LbpA mit Affinitäts-Tags und Varianten davon werden aus Zellen, die in Abwesenheit/Anwesenheit von oxidierbarem Schwefel gewachsen sind, gereinigt und analysiert. Darüber hinaus werden wir uns auf die Isolierung von LbpA-Proteinen aus lithoautrophen Schwefeloxidierern und Enzymtests mit den sHdr-Proteinen konzentrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen