Die Rolle von Cytochromen und Chinonen in acetogenen Bakterien

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Müller
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503149329

Acetogene Bakterien sind eine polyphyletische Gruppe strikt anaerober Organismen, die Kohlendioxid über den Wood-Ljungdahl-Weg (WLW) zu Acetat reduzieren. Die CO2-Reduktion mit H2 als Elektronendonor erlaubt chemolithoautotrophes Wachstum und es wird vermutet, dass die Acetogenese aus H2 + CO2 einer der ältesten Stoffwechselwege auf der Erde ist, da er die CO2-Fixierung mit der Synthese von ATP koppelt. Der ATP-Gewinn ist allerdings sehr gering mit nur einem Bruchteil eines ATP’s pro Mol Acetat. Daher ist die Acetogenese aus H2 + CO2 auch eines der Paradebeispiele für mikrobielles Leben am thermodynamischen Gleichgewicht. Acetogene Bakterien haben auch große Beachtung gefunden als mikrobielle Produktionsplattformen in einer CO2-basierten Biotechnologie, allerdings sind die erzielbaren Titer und die Anzahl unterschiedlicher Produkte begrenzt ob der geringen Energieverfügbarkeit. Wie acetogene Bakterien bei der Acetogenese aus H2 + CO2 Energie konservieren, war lange unbekannt. Kürzlich wurden zwei unterschiedliche respiratorische Enzyme in Acetogenen gefunden, eine Ferredoxin:NAD-Oxidoreduktase (Rnf) und eine Ferredoxin:H+-Oxidoreduktase (Ech), die einen Ionengradienten über der Membran aufbauen, der dann zur Synthese von ATP über eine membranständige ATP-Synthase genutzt wird. Beide Enyzme enthalten mehrere Untereinheiten und Flavine und Eisen-Schwefel-Zentren als Elektronenüberträger, aber keine Cytochrome. Dies ist erstaunlich, da schon vor 46 Jahren Cytochrome und vor 32 Jahren Chinone im acetogenen Modellorganismus Moorella thermoacetica gefunden wurden. Später wurden diese auch in anderen Acetogenen gefunden, ihre Funktion ist aber bis heute nahezu unbekannt. Trotzdem wird in der Literatur immer wieder spekuliert, dass es neben Rnf und Ech einen dritten, Cytochrom-/Chinon-abhängigen Mechanismus der Energiekonservierung in acetogenen Bakterien geben muss. Dieser Frage soll in diesem Projekt nachgegangen werden. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass die Cytochrome/Chinone in der Tat Bestandteile von Elektronentransportketten sind. Mögliche Elektronendonatoren für diese Elektronentransportketten könnten H2, CO, reduziertes Ferredoxin oder NAD(P) sein, mögliche Akzeptoren Methylen-Tetrahydrofolat, Nitrat oder schwefelhaltige Verbindungen. Diese Elektronentransportketten sollen identifiziert und die involvierten Enyzme beschrieben und charakterisiert werden. Im Fokus steht dann die Frage, ob und wie diese Elektronentransportketten zur Energiekonservierung führen. Das finale Ziel ist es, das letzte Teil im Puzzle der Energiekonservierung in acetogenen Bakterien zu finden. Die Ergebnisse werden über das eigentliche Thema hinausstrahlen und z. B. zu einem besseren Verständnis der ökologischen Fitness dieser metabolisch sehr versatilen, ökophysiologisch wichtigen Gruppe von Bakterien führen und neue Wege aufzeichnen, wie man die energetischen Barrieren für die acetogene Produktion von hochwertigen Produkten aus CO2 überwinden kann.

• DFG-Verfahren: Reinhart Koselleck-Projekte