Untersuchungen zum Metabolismus von Nε-Carboxymethyllysin in Escherichia coli

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Hellwig; Privatdozent Dr. Jürgen Lassak
• Fachliche Zuordnung: Lebensmittelchemie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504633492

Bei der Lebensmittelverarbeitung werden Proteine in Reaktionen mit reduzierenden Zuckern kovalent modifiziert (Maillard-Reaktion). Während bereits zahlreiche einzelne glykierte Aminosäuren qualitativ und quantitativ in Lebensmitteln analysiert wurden, ist das Wissen um die ernährungsphysiologischen Folgen des Verzehrs der Produkte, insbesondere der advanced glycation end products (AGEs), noch sehr lückenhaft. Dies schließt Kenntnisse um eine bakterielle Abbaubarkeit in vivo der meist nicht absorbierbaren Aminosäuren mit ein. Erste Arbeiten deuten auf eine Decarboxylierung des AGE Nε-Carboxymethyllysin (CML) in Escherichia coli hin.Wir konnten die Decarboxylasen SpeC und SpeF als erste CML-abbauende Enzyme in E. coli identifizieren. Die signifikanten Unterschiede zwischen CML und Ornithin, dem eigentlichen Enzymsubstrat, deuten auf hohe Promiskuität hin. Unsere Hypothese lautet, dass Nε-modifizierte Lysinderivate Substrate beider Decarboxylasen sind, solange das Stickstoffatom in der Seitenkette protonierbar ist. Daher ist es erstes Teilziel zu klären, ob weitere Aminosäuren (z.B. Nε-Methyllysin, Nε-Acetyllysin) durch SpeC decarboxyliert werden. Der Substratumsatz wird mit chromatographischen Methoden gemessen und kinetische Parameter abgeleitet.Das Auftreten von Minormetaboliten des CML in Literaturberichten lässt auf eine weitere Metabolisierung der intermediären biogenen Amine schließen, so dass als zweites Teilziel einschlägige Enzyme in E. coli (Transaminasen, Aldehyddehydrogenasen) hinsichtlich ihres Beitrags zur Verstoffwechselung von CML charakterisiert werden sollen. Hierzu werden potentielle Metabolite synthetisiert, um sie zur Analytik und in Studien zum bakteriellen Metabolismus einzusetzen. Da CML eine Stickstoffquelle für E. coli darstellt, ist eine Identifizierung CML-abbauender Enzyme zudem durch Testung von Deletionsmutanten aus der Keio-Stammsammlung möglich. Zur Metabolitenanalytik werden HPLC-MS/MS und GC-MS eingesetzt.Unsere Daten zeigen auch, dass der durch SpeC/SpeF vermittelte Metabolismus in E. coli nicht für den gesamten Abbau von CML verantwortlich sein kann. Daher werden Überstände von Kulturen, die mit und ohne CML als Mediensupplement gewachsen sind, einer Metabolom-Analyse (HPLC-TOF-MS/MS) unterzogen. Wir gehen davon aus, dass neben anderen Metaboliten auch niedermolekulare Verbindungen wie Acetat und Glyoxylat aus CML gebildet werden. Um den Ursprung dieser und anderer niedermolekularer Verbindungen aufzuzeigen, wird auch auf verschiedene CML-Isotopologe zurückgegriffen, die im Rahmen des Projektes synthetisiert werden. Zusammengefasst werden wir neues Wissen über die Verstoffwechselung von CML in E. coli erlangen, und daraus Verallgemeinerungen über den bakteriellen Abbau ableiten. Die Übertragung auf das intestinale Metabolisierungsgeschehen wird aus lebensmittelchemischer und ernährungsphysiologischer Sicht aktuelle Diskussionen um die gesundheitliche Relevanz modifizierter Aminosäuren sehr bereichern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen