TolQuin: Biosynthese, Diversität, und Evolution von Chinonen

• Antragsteller: Dr. Felix Elling
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569140696

Isoprenoide Chinone sind Lipide, die Elektronen zwischen den Enzymen der Atmungsketten transportieren und damit eine zentrale Rolle in dem zellulären Stoffwechsel spielen. Chinone sind strukturell vielfältig, wobei Unterschiede in der Chinoneinheit ihr Redoxpotential modulieren. Chinone mit niedrigem Potenzial werden hauptsächlich für die anaerobe und mikroaerobe Atmung verwendet, während Chinone mit hohem Potenzial für die aerobe Atmung und die Photosynthese eingesetzt werden. Die Geschichte ihrer Diversifizierung und des Übergangs von einem niedrigen zu einem hohen Redoxpotential ist kaum erforscht, steht aber wahrscheinlich im Zusammenhang mit wichtigen Übergängen in der Geschichte des Lebens: So oxidieren Chinone mit niedrigem Redoxpotential in Gegenwart von O2 von selbst, während Chinone mit hohem Redoxpotential vermutlich als Reaktion auf die große Sauerstoffkatastrophe entstanden sind. Das Verständnis der Vielfalt der Chinon-Biosynthesewege wird daher neue Erkenntnisse über die Evolution des Stoffwechsels liefern. Kürzlich hat unser Konsortium neue Wege der Chinon-Biosynthese entdeckt und gezeigt, dass die Evolution des Chinon-Repertoires mit der Anpassung von Bakterien an anoxische und oxische Umgebungen zusammenhängt. Unsere vorläufigen Ergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass viele Bakterien- und Archaeen keine der bekannten Chinone produzieren, obwohl ihr Stoffwechsel die Verwendung von Chinonen impliziert. Darüber hinaus produzieren einige Stämme zwar bekannte Chinone, verfügen aber nicht über die entsprechenden Biosynthesewege, was auf die Existenz neuer Biosynthesewege schließen lässt. Forschungslücken bestehen daher 1) in der Aufklärung neuer Biosynthesewege für bekannte Chinone, 2) in der Entdeckung neuartiger Chinone und ihrer Biosynthesewege und 3) in der Klärung der Evolution der Biosynthesewege. Unsere Charakterisierung der Vielfalt der Chinone, ihrer Biosynthesewege und ihrer Evolution wird neue Einblicke in die Evolution und Diversifizierung des zellulären Stoffwechsels geben, wie z. B. die Übergänge zwischen anaeroben und aeroben Stoffwechseln im Kontext der Redox-Evolution der Erde. Deshalb schlagen wir vor, 1) auf Lipidomics basierende Techniken zu entwickeln, um neue bakterielle und archaeelle Chinone zu entdecken; 2) die sequenzbasierte Annotation von Chinon-Biosynthesewegen zu verbessern, indem wir strukturelle Informationen nutzen, um entfernte Kandidatengene aufzuspüren und fehlende oder unvollständige Biosynthesewege biochemisch und genetisch zu charakterisieren; 3) die ökophysiologische und evolutionäre Bedeutung der Diversifizierung der Chinone zu untersuchen. Unser kombiniertes Fachwissen in den Bereichen Biochemie, Biogeochemie, Lipidomik, molekulare Evolution und Mikrobiologie wird den Erfolg von ToLQuin sicherstellen und es uns ermöglichen, neue Perspektiven auf die Diversifizierung der Chinone und deren Verbindung mit der Evolution des Stoffwechsels zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerin: Dr. Sophie Abby