Aufklärung des Zusammenhangs zwischen reduktivem Kortikosteroidstoffwechsel und Energieerhaltung in Darmbakterien

• Antragsteller: Dr. Christian Jacoby
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542537779

In diesem Projekt soll die Hypothese überprüft werden, ob der reduktive Corticosteroidmetabolismus in Darmbakterien eine auf Fe-S-Flavoenzymen basierende Strategie nutzt, um (i) essentielle Metaboliten im Wirt zu produzieren, und (ii) ob dies einen weitreichenden Mechanismus zur Energiekonservierung in Darmbakterien darstellt. Um diese Hypothese experimentell zu bestätigen, wird der kürzlich isolierte Bakterienstamm Clostridium HCS.1 als Modellorganismus verwendet. Die Experimente umfassen die Identifizierung der Gene, die am reduktiven Corticosteroidmetabolismus beteiligt sind, sowie deren heterologe Produktion und biochemische Charakterisierung in E. coli. Insbesondere soll das Substratspektrum der Enzyme untersucht werden, um festzustellen, ob sie nicht nur Corticosteroide, sondern auch andere Steroidhormone in 3ß- und 5ß-Varianten umwandeln. Weiterhin werden die Produkte des reduktiven Steroidstoffwechsels in Mausmodellen untersucht, um die Hypothese zu überprüfen, ob die Produktion von reduktiven Cortikosteroiden zu erhöhtem Blutdruck führen kann, indem sie die Funktion der wirtseigenen 11-Hydroxysteroid-Dehydrogenase 2 hemmen, die aktive Cortikosteroide in inaktive Cortikosteroide wie z.B. Cortison umwandelt. Darüber hinaus soll die Hypothese überprüft werden, ob der reduktive Corticosteroidmetabolismus einen Einfluss auf den Energiestoffwechsel in Bakterien hat. Frühere Arbeiten und vorläufige Ergebnisse lassen vermuten, dass eine Interaktion zwischen Enzymen des reduktiven Corticosteroidmetabolismus, dem Rnf-Komplex und bifurkierenden Hydrogenasen zur Produktion von ATP beiträgt, indem ein Protonengradient an der Bakterienmembran erzeugt wird. Dabei werden höchstwahrscheinlich Elektronen durch die Oxidation von Wasserstoff durch bifurkierende Hydrogenasen auf NAD+ und oxidiertes Ferredoxin übertragen. Letzteres dient als Elektronendonor für den Rnf-Komplex, der die Elektronen auf NAD+ überträgt. Der reduktive Metabolismus der Cortikosteroide dient der Regeneration von NADH. Um dies experimentell zu bestätigen, werden Knockout-Mutanten von HCS.1 erzeugt, denen entweder das Gen rnfB, das für die Ferredoxin-bindende Untereinheit des Rnf-Komplexes kodiert, die große Untereinheit einer potentiellen elektronenbifurkierenden Hydrogenase oder eines der am reduktiven Steroidabbau beteiligten Enzyme fehlt. Die erzeugten Mutanten werden auf ihre Fähigkeit zur ATP-Produktion bei Zugabe von Cortisol oder anderen Steroiden untersucht, indem die Menge an produziertem ATP gemessen wird. Zusätzlich werden Wachstumsexperimente mit dem Wildtypstamm und den Mutanten durchgeführt, um phänotypische Veränderungen in vitro und in Mausmodellen durch Wachstumskonkurrenzexperimente zu bestimmen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Sam Light, Ph.D.