Energiekonservierung in methanogenen Archaea, die im menschlichen Darm vorkommen

• Antragsteller: Professor Dr. Uwe Deppenmeier
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262684523

Der mögliche Einfluss von Methanproduzenten auf die menschliche Darmflora, im Hinblickt auf Gesundheit und krankhafte Veränderungen, macht weitere Untersuchungen notwendig, um die Physiologie und den Stoffwechsel dieser Organismen zu verstehen. Daher ist das Hauptziel dieses Antrags die Aufklärung des Mechanismus der Energiekonservierung von methanogenen Archaea im menschlichen Darm, die ausschließlich H2 und Methanol/ Methylamine als Substrate nutzen. Die Experimente basieren auf dem Modelorganismus Methanomassiliicoccus (M.) luminyensis. Interessanterweise passt dieser Organismus nicht in das allgemeine Schema der Energiekonservierung von anderen methanogenen Archaea. M. luminyensis enthält den typischen cytoplasmatischen Hydrogenase/ Heterodisulfid-Oxidoreduktase Komplex (HdrABC/MvhADG), wie er in hydrogenotrophen Methanarchaea gefunden wird. Die energiekonservierende Methyl-Coenzym M: H4MPT- Methyltransferase ist jedoch in diesem Organismus nicht vorhanden. So stellt sich die Frage, wie Energie in diesem Organismus konserviert wird. In der vorangegangenen Finanzierungsperiode konnten wir eine hohe Aktivität des löslichen HdrABC/MvhADG Komplexes im Cytoplasma von M. luminyensis nachweisen. Im Zuge dieser Reaktion wurde Ferredoxin reduziert (Fdred). Fdred konnte in nachfolgenden Experimenten von gewaschenen Cytoplasmamembranen dazu genutzt werden, das Heterodisulfid (CoM-S-S-CoB) in Gegenwart von HdrD zu reduzieren. In der aktuellen Arbeitshypothese gehen wir davon aus, dass Fdred durch eine verkürzte Form der F420H2-Dehydrogenase reoxidiert wird. Diesem kopfloser Fpo Komplex fehlt die F420H2-oxidierende Untereinheit FpoF. Nachfolgend werden Elektronen auf die Untereinheit D der Heterodisulfid-Reduktase übertragen, welche direkt mit dem kopflosen Fpo Komplex interagieren kann. HdrD wiederum katalysiert dann die Reduktion des CoM-S-S-CoB. Dieser Prozess könnte an einen Ionentranslokations-Prozess (H+ oder Na+) gekoppelt sein, der einen elektrochemischen Ionengradient zur Synthese von ATP über eine a A1A0 Typ ATP-Synthase generiert. Um diese Hypothese zu verifizieren, soll die Interaktion zwischen HdrD und Fdred mit dem kopflosen Fpo Komplex nachgewiesen werden. Dieser Ansatz beinhaltet die Aufreinigung des gesamten oder partiellen Fpo Komplexes um die anaerobe Elektronentransportkette zu rekonstituieren. Zusätzlich werden Protein: Protein Interaktionsstudien durchgeführt. Diese Untersuchungen sollen zur Aufklärung des Elektronenflusses und zur Identifizierung der am Elektronentransfer beteiligten Komplexe und Untereinheit(en) der neuartigen Elektronentransportkette in M. luminyensis beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen