Energieumwandelnde Membranenzyme in Fettsäure abbauenden, syntrophen und pathogenen Bakterien

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Boll
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560368629

Die mikrobielle Umwandlung natürlicher Polymere in Methan spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf und ist für mehr als die Hälfte des jährlich auf der Erde produzierten Methans verantwortlich. Bei diesem Prozess wandeln anaerobe, syntrophe Bakterien die Produkte primärer bakterieller Fermentierer wie kurzkettige Fettsäuren in Wasserstoffgas, Formiat und Acetat um. Diese sekundären Gärungsprodukte dienen dann als Substrate für methanogene Archaeen. Wir haben kürzlich ein energieumwandelndes Membranprotein identifiziert, das bei diesem Prozess eine zentrale Rolle spielt: die „electron-transferring flavoprotein“ (ETF):Methylmenachinon (MMK) Oxidoreduktase (EMO). Es wird vorhergesagt, dass dieses Enzym in Verbindung mit einer membrangebundenen Formiat-Dehydrogenase den endergonen Elektronentransfer von Acyl-CoA zu CO₂ über einen reversen, von der protonenmotorischen Kraft abhängigen ‚redox-loop‘ während der Beta-Oxidation von Fettsäuren ermöglicht. MMK dient als membrangebundener Elektronenträger. Eine unkonventionelle ATP-Synthase hat die Funktion, die dafür erforderliche protonenmotorische Kraft zu erzeugen, und sollte dabei pro hydrolysiertem ATP vier Protonen aus dem Cytoplasma transportieren. EMOs kommen in einer Vielzahl von (M)MK-enthaltenden Bakterien vor, die zur Beta-Oxidation von Fettsäuren fähig sind, darunter Mycobacterium tuberculosis. Es wird vermutet, dass eine EMO bei diesem Erreger ein entscheidender Faktor für die Persistenz in Makrophagen spielt. In diesem Projekt werden drei Zielen verfolgt. Ziel 1 betrifft die strukturelle, spektroskopische und funktionelle Charakterisierung von EMO aus dem syntrophen Deltaproteobakterium Syntrophus aciditrophicus. Dazu werden Kryo-Elektronenmikroskopie und die paramagnetische Elektronenresonanz-Spektroskopie sowohl an Wildtyp-Enzymen als auch an molekularen Varianten eingesetzt. Um die Funktion von EMO im vorhergesagten „redox-loop“ zu klären, wird das Enzym in Proteoliposomen oder „inside-out“-Vesikeln aus S. aciditrophicus-Zellen rekonstituiert. Ziel 2 ist die Charakterisierung der Struktur und Funktion von EMO aus M. tuberculosis, das ein attraktives Ziel für neue antimykobakterielle Wirkstoffe darstellt. Ziel 3 ist die erste strukturelle und funktionelle Charakterisierung einer ATP-Synthase aus einem syntrophen Organismus und der experimentelle Nachweis der vorhergesagte Protonenpumpleistung/ATP-Hydrolyse-Stöchiometrie. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist es, ein umfassendes Verständnis der Bioenergetik der syntrophen Oxidation von Fettsäuren erlangen, einem zentralen Prozess im globalen Kohlenstoffkreislauf und der Biogasbildung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen