FOR 1530: Anaerobic Biological Dehalogenation: Organisms, Biochemistry and (Eco-)Physiology
Final Report Abstract
Im Fokus der Arbeiten der Forschungsgruppe FOR1530 standen die Biochemie und Physiologie von Organismen, die im Energiestoffwechsel unter anaeroben Bedingungen halogenierte aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe dehalogenieren. Dabei muss unterschieden werden zwischen Corrinoid-abhängiger Dehalogenierung, die meist an eine anaerobe Atmung (Organohalid-Respiration = OHR) gekoppelt ist (Teilprojekte TP 1-6), und Corrinoid-unabhängiger Dehalogenierung durch denitrifizierende Bakterien (TP 7). Auch wurden die Organismen in Hinsicht auf die Genomik und Proteomik untersucht. Die meisten Teilprojekte befassten sich mit den Organohalid-respirierenden Bakterien (OHRB), die die reduktive Dehalogenierung an die ATP-Synthese über die OHR koppeln. Ziel der Untersuchungen war die Aufklärung der OHR-Elektronentransportkette, der Mechanismen der reduktiven Dehalogenierung (Corrinoid-abhängig und -unabhängig) sowie der Regulation der OHR. Zu Beginn der Arbeiten war außer einigen Mikroorganismen mit der Befähigung zur anaeroben, reduktiven Dehalogenierung und nur wenigen isolierten dehalogenierenden Enzymen sehr wenig über die Physiologie und Biochemie der Dehalogenierung bekannt. Neben der nahezu zur Homogenität erfolgten Anreicherung eines neuen, anaerob dehalogenierenden Organismus wurden auch einige Genome dehalogenierender Bakterien sequenziert; Untersuchungen zur Proteomik konnten Aufschluss geben über an der Dehalogenierung bzw. der OHR beteiligten Enzyme und Komponenten. Das Ziel der Aufklärung der OHR-Atmungskette konnte letztlich nicht vollständig erreicht werden, da sich herausstellte, dass unterschiedliche OHRB über unterschiedliche Atmungsketten verfügen, die zudem offenbar doch komplexer aufgebaut sind als ursprünglich angenommen. Jedoch konnte eine Übersicht über mutmaßlich beteiligte Komponenten und deren Topologie gewonnen werden. Dabei muss insbesondere zwischen Dehalococcoides, Dehalobacter/Desulfitobacterium und Sulfurospirillum unterschieden werden. Erstere (Dehalococcoides) besitzen einen Atmungskomplex, der ohne Chinon-Beteiligung einen elektrochemischen Protonengradienten aufbaut, letztere involvieren Chinone und vermutlich eine Chinol-Dehydrogenase in der OHR, wobei bei Sulfurospirillum - im Gegensatz zu Dehalobacter/ Desulfitobacterium - wahrscheinlich ein revertierter Elektronentransport beteiligt ist. Große Fortschritte wurden bei der Aufklärung der Struktur und des Reaktionsmechanismus einer reduktiven Dehalogenase (RDase) gemacht. Die Tetrachlorethen-RDase (PceA) von Sulfurospirillum multivorans wurde kristallisiert und die 3D-Struktur ermittelt. Diese in Zusammenhang mit der Struktur des Substrat-bindenden Enzyms erlaubte auch interessante Einblicke in den Reaktionsmechanismus Corrinoid-abhängiger Dehalogenasen. Bezüglich des Reaktionsmechanismus könnte es jedoch Unterschiede in Hinblick auf die Dehalogenierung verschiedener Substrate und/oder auch verschiedener Organismen geben, die möglicherweise die beobachteten Diskrepanzen bei der Anwendung unterschiedlicher Methoden (z. B. Isotopen-Diskriminierung, EPR) erklären könnten. Diese Unterschiede sind noch nicht im Detail geklärt und bedürfen weiterer Untersuchungen. Die Corrinoid-unabhängige Dehalogenierung ortho-, meta-, und para-substituierten Aromaten wurde in denitrifizierenden Thauera-Stämmen aufgeklärt. Dabei wurden zuvor noch nicht bekannte anaerobe Abbauleistungen von halogenierten Aromaten und beteiligte Enzyme identifiziert und näher charakterisiert.
