Metabolism of benzoate in strictly anaerobic bacteria
Final Report Abstract
Eine Vielzahl von fakultativ und obligat anaeroben Bakterien nutzen aromatische Wachstumssubstrate als ihre einzige Energie- und Kohlenstoffquelle. In diesen Organismen sind alle sauerstoffabhängigen Enzymreaktionen des aeroben Aromatenstoffwechsels durch zuvor meist unbekannte, teilweise einzigartige enzymatische Prozesse ersetzt. Bislang wurde der Aromatenstoffwechsel hauptsächlich in den einfacher zugänglichen fakultativen anaeroben Bakterien untersucht. Dabei wurde gefunden, dass die überwiegende Mehrzahl aromatischer Wachstumssubstrate in das zentrale Intermediat Benzoyl-CoA überführt wird, welches dann im sogenannten Benzoyl-CoA Abbauweg zu drei Acetyl-CoA und einem CO2 abgebaut wird. Das Schlüsselenzym des Benzoyl-CoA Abbauweges in fakultativ anaeroben Bakterien ist die dearomatisierende Benzoyl-CoA Reduktase, welche den aromatischen Ring mit zwei Elektronen unter stöchiometrischer ATP-Hydrolyse zu einem zyklischen Dienoyl-CoA dearomatisiert. Zu Beginn dieses Projekts war nur wenig über den Stoffwechsel aromatischer Verbindungen in obligat anaeroben Bakterien wie Sulfatreduzierer, Eisen(lll)- Reduzierer oder Gärer bekannt. Energetische Überlegungen sprachen gegen eine ATP-abhängige einleitende Ringreduktion des Benzoyl-CoA Abbauweges. Im Laufe des Projekts wurden folgende Ergebnisse erzielt/Erkenntnisse gewonnen: (1) Fakultativ und obligat anaerobe Bakterien nutzen beide den Benzoyl-CoA Abbauweg für den Abbau der überwiegenden Mehrzahl ihrer aromatischen Wachstumssubstrate. Die Stoffwechselintermediate der Benzoyl-CoA Abbauwege sind identisch. (2) Im Genom des Fe(lll)-reduzierenden Geobacter metallireducens wurden über Proteomanalysen und reverse Transkriptionsstudien zwei aromateninduzierte Gencluster identifiziert, die alle der am Benzoyl-CoA Abbauweg beteiligten Strukturgene enthalten. (3) Zahlreiche charakteristische Enzyme des Benzoyl-CoA Abbauweges, außer der Ringreduktase, wurden heterolog exprimiert und charakterisiert. (4) Das Wachstum von strikten Anaerobiern, nicht jedoch von fakultativen Anaerobiern ist abhängig von den Spurenelementen Mo und Se. Eine 75Se-Markierung aromatenabbauender Desulfococcus multivorans Zellen identifizierte ein neues aromateninduziertes 30 kDa Se-Protein. (5) Es wurden erste Hinweise gewonnen, dass in strikten Anaerobiern acht Benzoat-induzierte Gene (BamBCDEFGHI) für einen neuartigen, Se- und Mo-enthaltenden Benzoyl-CoA Reduktase-Komplex kodieren. Dieser Befund erklärt die Abhängigkeit des Wachstums auf Aromaten von den Spurenelementen Mo und Se. (6) Es gelang erstmals eine universelle Gensonde für ein Schlüsselenzym des Benzoyl-CoA Abbauweges zu entwickeln, mit denen alle anaeroben Aromatenabbauer in situ nachgewiesen werden können. (6) Der Abbauweg von para-Cresol wurde in G. metallireducens aufgeklärt; er verläuft überraschenderweise über Methylgruppen-Hydroxylierung und nicht über Addition an Fumarat wie in sulfatreduzierenden Organismen. Die entsprechenden Enzymaktivitäten wurden nachgewiesen, die Gene und deren Regulation näher untersucht.
Publications
- (2004) Selenocysteine-containing proteins in anaerobic benzoate metabolism of Desulfococcus muitivorans. J. Bacteriol. 186, 2156-2163
Peters, F., Rother, M. & Boll, M.
- (2006) Gene clusters involved in anaerobic benzoate degradation of Geobacter metallireducens. Mol. Microbiol. 58, 1238-1252
Wischgoll, S., Heintz, D., Peters, F., Erxleben, A., Sarnighausen, E., Reski, R., van Dorsselaer, A. and Boll, M.
- (2007) Cyclohexa-1,5-diene-1-carbonyl-CoA hydratase of Geobacter metallireducens and Desulfococcus muitivorans: evidence for a common benzoyl-CoA degradation pathway in facultative and obligate anaerobes. J. Bacteriol., 189, 1055-1060
Peters, F., Shinoda, Y., Mclnerney, M. & Boll, M.
- (2007) Genes, enzymes, and regulation of para-cresol metabolism in Geobacter mete/tfreducens. J. Bacteriol. 189:4729-38
Peters F, Heintz D, Johannes J, van Dorsselaer A, Boll M
- (2008) 6-Oxocyclohex-1-ene-1-carbonyl-Coenzyme A Hydrolases from Obligately Anaerobic Bacteria: Characterization, Identification of its Gene as a Functional Marker for Aromatic Compounds Degrading Anaerobes. Environ. Microbiol.
Kuntze K, Shinoda Y, Moutakki H, Mclnerney MJ, Vogt C, Richnow H-H, Boll, M
