Carboxylation of phenolic compounds
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Phenolische Verbindungen gehören zu den häufigsten Naturstoffen und sind deshalb wichtige Substrate für das Wachstum von Mikroorganismen. Ihr aerober Stoffwechsel verwendet Sauerstoff als reaktives Cosubstrat und Oxygenase-Enzyme. Fehlt dagegen Sauerstoff, werden völlig andere Reaktionen und Enzyme benötigt. Das Ziel dieses Projektes war es, die ersten Schritte im anaeroben Stoffwechsel von Phenol in dem Modellbakterium Thauera aromatica aufzuklären. Phenol wird zuerst phosphoryliert und dann carboxyliert; man erhält 4-Hydroxybenzoesäure. Die an diesen beiden Schritten beteiligten Enzyme Phenylphosphat-Synthetase und Phenylphosphat-Carboxylase sind komplexe Systeme, die von 3 bzw. 4 Genen codiert werden. Die sieben Gene liegen im Phenol-Operon zusammen mit weiteren Genen unbekannter Funktion. Die beiden Enzyme sind auch beteiligt am Stoffwechsel von Catechol (1,2-Dihydroxybenzol), das zu Protocatechuat carboxyliert wird. Ähnliche Gene finden sich in verschiedenen Bakterien, die anaerob mit Phenol wachsen können. Phenylphosphat-Synthetase besteht aus zwei katalytischen Untereinheiten. Eine davon wird durch die andere Untereinheit an einem konservierten Histidinrest phosphoryliert. Das phosphorylierte Protein überträgt dann selbst die Phosphorylgruppe auf Phenol. Die Phosphorylgruppe stammt aus der beta-Position von ATP. Die Synthetase ähnelt der Phosphoenolpyruvat-Synthetase. Die zusätzliche dritte Untereinheit scheint regulatorische Funktion zu haben. Phenylphosphat-Carboxylase besteht aus vier Untereinheiten. Eine davon hydrolysiert Phenylphosphat, jedoch nur in Gegenwart des Kernenzyms aus drei Untereinheiten. Dieses nimmt offenbar das freigesetzte Phenolat-Anion auf und carboxyliert es sofort zu 4-Hydroxybenzoat. So wird eine nutzlose Hydrolyse des energiereichen Phenylphosphats verhindert. Dieses Enzym gibt noch viele Rätsel auf. Besonders aufregend sind neue Erkenntnisse aus den Labors von Friedrich Widdel (Bremen) und Rainer Meckenstock (München). Sie haben gefunden, dass ähnliche Carboxylase-Untereinheiten im anaeroben Stoffwechsel von Benzol und Naphthalin beteiligt sind. Die Aktivierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen zählt zu den anspruchvollsten biochemischen Reaktionen. Eine Carboxylierung wäre sensationell. Die Carboxylierung von Phenol ist in der Industrie eine von wenigen eingesetzten Carboxylierungsschritten (Kolbe-Schmitt-Carboxylierung). Entsprechend besteht Interesse an der Anwendung von Carboxylasen aus Bakterien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2009. Phenol degradation in the strictly anaerobic iron reducing bacterium Geobacter metallireducens GS-15. Appl. Envir. Microbiol. 75:3912-3919
Schleinitz KM, Schmeling S, Jehmlich N, von Bergen M, Harms H, Kleinsteuber S, Vogt C, and Fuchs G.
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2006. Phosphorylation of phenol by phenylphosphate synthase: role of histidine phosphate in catalysis. J Bacteriol. 188:7815-22
Narmandakh A, Gad'on N, Drepper F, Knapp B, Haehnel W, Fuchs G.
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2008. Anaerobic Metabolism of Catechol by the Denitrifying Bacterium Thauera aromatica - A Result of Promiscuous Enzymes and Regulators? J. Bacteriol. 190:1620-1630
Ding B, Schmeling S, Fuchs G.
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2009. Anaerobic metabolism of phenol in Proteobacteria and further studies of phenylphosphate carboxylase. Arch. Microbiol. 191:869-878
Schmeling S, and Fuchs G.
