Membrankomplexe in anaeroben Ammonium-oxidierenden Bakterien

• Antragsteller: Dr. Thomas Barends; Dr. Kristian Parey
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514060533

Anaerobe Ammonium-oxidierende ("Anammox") Bakterien gehören zu den neusten Entdeckungen innerhalb des biogeochemischen Stickstoffkreislaufs und sind weltweit verbreitet. Diese außergewöhnlichen Mikroorganismen mit ihrer distinkten Morphologie beziehen ihre Energie aus der Oxidation von Ammonium, gekoppelt mit einer Nitritreduktion, die auf hochgiftigen Zwischenprodukten wie Hydrazin und Stickoxid beruht. Etwa 50 % des freigesetzten Stickstoffs wird von Anammox-Bakterien produziert und in der Biotechnologie wird das Anammox-Verfahren als nachhaltige Alternative zu der konventionellen Abwasserbehandlung zur Entfernung von Stickstoffverbindungen eingesetzt. Wir haben bedeutende Beiträge geleistet, um die katabolischen Stoffwechselwege aufzuklären und die löslichen Schlüsselenzyme zu charakterisieren. Jedoch ist nur sehr wenig über die Membrankomplexe im Herzen dieses bioenergetischen Prozesses bekannt und darüber, wie der Protonengradient über die anammoxosomale Membran aufgebaut wird, der die ATP-Synthese antreibt. Der Antrag beschreibt die strukturelle und funktionelle Charakterisierung von Membrankomplexen, indem die Synergie zwischen Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), Kristallographie, Biochemie und Elektrochemie genutzt wird, um einen neuen Weg zum Verständnis der Anammox-Bioenergetik zu eröffnen. Unser Arbeitsprogramm besteht darin, (i) bc1-Komplexe zu reinigen und ihre Funktion durch Aktivitätstests und Protonenpumpassays zu demonstrieren. Strukturelle Studien durch Einzelpartikel-Kryo-EM sollen den Mechanismus aufklären, wie der Q-Pool in Zusammenhang mit den bc1-Komplexen steht und der Protonengradient aufgebaut wird; (ii) zu untersuchen, wie Elektronen innerhalb des NXR-Systems übertragen werden. Zu diesem Zweck wird der membranständige NXR-Komplex für Untersuchungen mittels Kryo-EM chromatographisch aufgereinigt. Parallel dazu werden die verschiedenen Komponenten dieses Komplexes für biochemische und elektrochemische Studien heterolog exprimiert; und (iii) um Kryo-Elektronentomographie, Untertomogrammmittelung und Segmentierung zu verwenden, um die molekulare Topologie der Membranen von Anammox-Bakterien zu untersuchen. Diese Technik wird Einblicke in die native Topologie mit molekularer Auflösung und in die Bioenergetik dieses weitgehend unerforschten Organismus geben. Insbesondere können Proteinkomplexe in der Atmungskette differenziert und deren Organisation in situ untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Laura van Niftrik