NSF/BIO-DFG: Biologische Fe-S-Intermediate in der Synthese der Metallcluster der Nitrogenase

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Einsle
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536145634

Nitrogenase katalysiert die biologische Umwandlung von N2-Gas in NH4+, einen entscheidenden Schritt im biogeochemischen Stickstoffkreislauf. Trotz ihrer Bedeutung für das Leben auf der Erde ist die Stickstofffixierung eine Eigenschaft, die auf eine Untergruppe von Mikroben beschränkt ist, und die Fähigkeit, N2 zu fixieren, ist hinsichtlich Mechanismus, Genetik und Regulierung komplex. Die Aktivität der Nitrogenase hängt von Faktoren ab, die an der Synthese ihrer assoziierten Metallocofaktoren beteiligt sind, sowie von den Stoffwechselbedingungen, die diese hochgradig endergone Reaktion unterstützen. Daher ist die Definition der Reaktionen, die von diesen Faktoren durchgeführt werden, von intrinsischem intellektuellem Wert und trägt zum Verständnis ihrer Evolution bei. Dies ist wichtig für die Entwicklung nachhaltiger, energiesparender Strategien der Nahrungsmittelproduktion. Der vorliegende Antrag zielt darauf ab, die ersten Reaktionsschritte der Synthese von Fe-S-Clustern für die Nitrogenase aufzuklären, die durch NifU und NifS katalyisert werden. NifU und NifS dominieren in aeroben stickstofffixierenden Mikroben, was darauf hindeutet, dass dieses spezielle Fe-S-Cluster-Biosynthesesystem zur Aufrechterhaltung der Stickstofffixierung genau dann erforderlich ist. In dem Modellbakterium Azotobacter vinelandii wird NifUS für die Stickstofffixierung durch jede der drei Nitrogenase-Isoformen (Nif, Anf und Vnf) benötigt. Unsere vorläufige Daten zeigen nun eine bisher uncharakterisierte Cluster-Spezies auf NifU, wenn es in seinem ursprünglichen Organismus, A. vinelandii, exprimiert wird. Wir zeigen auch, dass Fpr2 ein geeignetes physiologisches Reduktionsmittel ist, das zum ersten Mal den Nachweis neuer, EPR-aktiver Spezies in Verbindung mit NifU ermöglicht. Wir stellen die Hypothese auf, dass diese vorübergehende Clusterspezies ein funktionelles Zwischenprodukt bei der Synthese von Nitrogenase-Metalloclustern darstellt. Der Forschungsplan zielt darauf ab, die mechanistischen und chemischen Schritte der Fe-S-Cluster-Synthese zu untersuchen, indem 1) der Ort und die spektroskopischen Merkmale der neuen, mit NifU assoziierten Cluster-Spezies, 2) die Beteiligung zusätzlicher Faktoren an diesem Prozess und 3) die Reaktivität der neuen Cluster-Spezies als Bausteine für die Synthese von Nitrogenase-Metalloclustern ermittelt werden. Das Verständnis der molekularen und evolutionären Details der Stickstofffixierung ist agronomisch, wirtschaftlich und ökologisch bedeutsam. Gefundene Prinzipien können auch als Grundlage für Studien über Fe-S-Cluster in komplexeren Systemen dienen, die nicht auf die Stickstofffixierung beschränkt sind. Das Projekt wird Studenten und Absolventen durch Forschungserfahrungen und berufliche Entwicklungsmöglichkeiten einbinden und synergetische Forschungs- und Weiterbildungsmaßnahmen unterstützen: (a) gemeinsame Forschungserfahrungen im Ausland für Doktoranden und (b) betreute Forschungsstipendien für einheimische Doktoranden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartnerin: Professorin Patricia dos Santos, Ph.D.