Analyse des Elektronentransports und der Energiekonservierung von methanogenen Archaea beim Wachstum auf Acetat
Final Report Abstract
Methanogene Archaea spielen eine wichtige Rolle in der anaeroben Nahrungskette, da sie die Endprodukte aus Gäru ngs Vorgängen zur Methanogenese verwenden und die gasförmigen Produkte (CH4 und CO2) dem Kohlenstoffl^reislauf wieder zufuhren. Diese Gase tragen aber auch zur globalen Erwärmung bei. Da jährlich eine Milliarde metrischer Tonnen an Methan durch methanogene Archaea produziert werden, ist das Verständnis der biochemischen Prozesse, die zur Methan Synthese führen, von entscheidender Bedeutung. Zu Beginn des Projektes waren zahlreiche Fragen bezüglich der Stoflweehselwege zur Energiekonservierung aus Acetaf offen. Daher sollten die Mechanismen der FerredoxinTabhängigen Energiekonservierung in Methanosarcina {Ms.)-Anen im Detail untersucht werden. Um Ferredoxin-abhängige Membranprozesse zu analysieren musste zuerst ein Enzymsystem entwickelt werden, mit dem definierte und große Mengen des reduzierten Elektronen Überträgers erzeugt werden konnten. Dabei kam eine CO-oxidierende Dehydrogenase zum Einsatz kam, die mit hoher Effizienz Clostridien-Ferredoxin reduzierte. Nachfolgend wurden noch andere Enzyme heterolog produziert, die sowohl Ferredoxin aus Clostridien als auch aus Ms. mazei reduzierten. Mit diesen Werkzeugen konnte nachfolgend ein System etabliert werden, das auch zukünftig ftir die Analyse von Ferredoxin-abhängigen Reaktionen von hohem Wert sein wird. Der Ferredoxin-abhängige Elektronentransport in dem Modellorganismus Ms. mazei wurde von ihr nachfolgend bis ins Detail geklärt. Dabei kamen verschiedene definierte Deletionsmutanten zum Einsatz (Aech, AfpoF und AfpoA-0). Die wichtigsten Ergebnissen waren: 1) Reduziertes Ferredoxin ist ein Elektronendonor für die Ech- Hydrogehase, die H2 produziert und diese exergone Reaktion mit der Translokationen von Protonen über die Cytoplasmamembran koppelt. Lange wurde vermutet, dass die Ech-Hydrogenase am Aufbau eines elektrochemischen lonengradienten beteiligt ist. Doch erst dieses Projekt erbrachte den direkten biochemischen Beweis für diese Hypothese. 2) Es wurde auch deutlich, dass die Aech Mutante noch weitere Mechanismen zur Oxidation von reduziertem Ferredoxin besitzen muss. Die Untersuchung der AfpoF Mutante und die heterologe Produktion des FpoF-Proteins erbrachten den Nachweis, dass dieses Protein als Ferredoxin:F42o-Oxidoreduktase fungieren kann. Eine solche Enzymaktivität wurde lange postuliert, aber auch in diesem Fall gelang der biochemische Nachweis erst im Rahmen dieser Arbeiten. Zudem wurde deutlich, dass neben FpoF noch ein weiteres membrangebundenes Enzym mit reduziertem Ferredoxin reagiert und Elektronen direkt in die Atmungskette einspeisen kann. Es handelt es sich hier wahrscheinlich um die energie-konservierende F42oH2-Dehydrogenase. Dieses Enzym besitzt daher eine Dualfunktion. Es oxidiert den methanogenen Cofaktor F420H2 wenn die FpoF-Untereinheit gebunden ist und speist die Elektronen in die Atmungskette ein. Fehlt diese Untereinheit dann nutzt das Kemenzym direkt reduziertes Ferredoxin als Elektronendonor für die Atmungskette. 3) Es konnte gezeigt werden, dass, dass die F420- Hydrogenase keine entscheidende Rolle bei der Einspeisung von Reduktionsäquivalenten aus reduziertem F420 in die Atmungskette spielt. Dieser Befund untermauert noch einmal die Bedeutung des Zentralenzyms, der F42oH2-Dehydrogenase.
Publications
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(2009) Transcriptional profiling of methyltransferase genes during growth of Methanosarcina mazei on trimethylamine. J Bacteriol. 191:5108-5115
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Welte, C., Krätzer, C., Deppenmeier, U.
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(2011) Methanoferrodoxin represents a new class of superoxide reductase containing an ironsulfur cluster. FEBS J. 278(3):442-451
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(2011) Re-evaluation of the function of the F420 dehydrogenase in electron transport of Methanosarcina mazei. FEBS J. 278(8):1277-1287
Welte, C. and Deppenmeier, U.
