Biochemistry and bioenergetics of anaerobic toluene and p-cresol degradation in Desulfobacula toluolica

• Antragsteller: Professor Dr. Johann Heider
• Fachliche Zuordnung: Parasitologie und Biologie der Erreger tropischer Infektionskrankheiten
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 41222517

Das obligate anaerobe Bakterium Desulfobacula toluolica war das erste sulfatreduzierende Bakterium, bei dem der Abbau von Toluol nachgewiesen wurde. Diese metabolische Fähigkeit ist auch heute noch nicht bei vielen Sulfatreduzierern bekannt. Der Toluolabbau wird dabei durch Fumarataddition an die Methylgruppe eingeleitet und verläuft über Benzylsuccinat als erstes Intermediat. Die genaueren Eigenschaften des Enzyms, das diese Reaktion in sulfatreduzierenden Bakterien katalysiert, wurden jedoch noch nicht untersucht; ebenso gibt es keine Informationen zum weiteren Abbauweg des Benzylsuccinats in diesen Organismen. Neben Toluol baut D. toluolica auch p-Cresol ab, vermutlich über einen analogen Stoffwechselweg. Der Organismus gehört zu einer komplett oxidierenden phylogenetischen Gruppe von sulfatreduzierenden Delta-Proteobakterien und wird zur Zeit Genom-sequenziert. Es wird das erste verfügbare Genom eines Kohlenwasserstoff-oxidierenden sulfatreduzierenden Bakteriums werden und nach Desulfobacterium autotrophicum das zweite einer komplett oxidierenden Art. Das beantragte Forschungsprojekt zielt auf die Identifizierung und die biochemische Charakterisierung der Stoffwechselwege und der Enzyme des anaeroben Toluol- und p-Cresol-Abbaus in dieser Art. Ein weiteres spezifisches Ziel ist die Untersuchung 3 der Bioenergetik der beteiligten Reaktionen, um herauszufinden, wie der Abbau von Toluol mit der Energie-limitierten Physiologie eines Sulfatreduzierers in Einklang zu bringen ist. Die Ziele sind dabei im einzelnen: (1) Bioinformatische Analyse. Induzierte Proteine von Zellen, die auf Toluol bzw. p-Cresol angezogen wurden, werden mit der Genomsequenz korreliert, um die jeweils beteiligten Gene zu identifizieren und die die Stoffwechselwege zu rekonstruieren. Zugleich dienen die identifizierten Gene als Basis für die biochemische Analyse der codierten Enzyme. (2) Die Benzylsuccinatsynthase von D. toluolica, ein Glycyl-Radikal-Enzym, soll biochemisch charakterisiert werden. Hauptsächlich werden dabei Aspekte untersucht, die das Enzym aus Sulfatreduzierern von den orthologen Enzymen aus Denitrifizierern unterscheiden sollten. Die interessanteste Frage stellung ist dabei, ob die freiwerdende Energie der Additionsreaktionen über einen Energiekonservierungs-Mechanismus nutzbar gemacht wird. Ebenso wird untersucht, ob es ein gemeinsames oder separate Isoenzyme für Toluol und p-Cresol gibt. Weitere wichtige Aspekte der Untersuchung der Benzylsuccinatsynthase werden die in-vitro-Aktivierung zur aktiven, Glycyl-Radikalhaltigen Form und Versuche zur Kristallisierung des Enzyms sein. (3) Der weitere Abbauweg des Benzylsuccinats zu Benzoyl-CoA, bzw. des 4-Hydroxy- Benzylsuccinats zu 4-Hydroxy-Benzoyl-CoA, soll untersucht werden. Dies erfordert zunächst die Aufklärung der bisher unbekannten Stoffwechselwege und der beteiligten Enzyme, anschließend dann die biochemische Charakterisierung der wichtigsten Enzyme. Auch in diesem Teilprojekt werden wir uns auf die Reaktionen konzentrieren, die aufgrund ihrer Energetik bei Sulfatreduzierern nur schwer ablaufen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen