Neue Lipoatbindeproteine und ihre Rolle in der Schwefeloxidation

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Christiane Dahl
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433613342

Liponsäure (1,2-Dithiolan-3-Pentansäure) ist ein hoch konservierter Organoschwefel-Kofaktor, der in fast allen prokaryontischen und eukaryontischen Organismen vorkommt. Der Kofaktor ist essentiell für die Funktion verschiedener Schlüsselenzyme des oxidativen Zentralstoffwechsels und der Umsetzung von C1-Körpern. Bisher wurden nur fünf Lipoat-abhängige Multienzymkomplexe charakterisiert: drei α-Ketosäuredehydrogenasen (z. B. die Pyruvatdehydrogenase), Acetoindehydrogenase und der Glycinspaltungskomplex.Obwohl Liponsäure seit mehr als sechzig Jahren bekannt ist, haben unsere jüngsten Arbeiten eine unerwartete metabolische Funktion gezeigt, die sich deutlich von der bekannten Rolle im Zentralstoffwechsel unterscheidet. Wir haben bewiesen, dass neuartige Lipoat-bindende Proteine (LbpA) unverzichtbar für einen weit verbreiteten, neuen Weg der dissimilatorischen Schwefeloxidation sind. In diesem Weg spielt ein Heterodisulfidreduktase (Hdr)-ähnlicher Komplex eine zentrale Rolle. Der Weg kommt in einer großen Gruppe von Organismen vor, zu denen biotechnologisch und für die Umwelt relevante Bakterien wie das flüchtige Organoschwefelverbindungen abbauende Alphaproteobakterium Hyphomicrobium denitrificans und sehr viele chemolithoautotrophe Bakterien und Archaea zählen. In allen bisher bekannten Lipoat-enthaltenden Enzymkomplexen dient der Kofaktor als beweglicher Arm, der das entsprechende Substrat den aktiven Zentren verschiedener Untereinheiten darbietet. Während der Katalyse wechselt die intramolekulare Disulfidbindung des Lipoats zwischen oxidiertem Lipoamid und reduziertem Dihydrolipoamid und die bei der Reoxidation des Dihydrolipoamids freiwerdenden Elektronen können über das Enzym Dihydrolipoamiddehydrogenase direkt auf NAD+ übertragen werden. Sollten Lipoat-bindende Proteine bei der Hdr-abhängigen Schwefeloxidation ähnliche Funktionen übernehmen, dann könnte zumindest ein Teil der hier anfallenden Elektronen direkt für die Bildung von NADH verwendet werden. Eine solche Reaktion würde den Bedarf an energieverbrauchendem, reversem Elektronenfluss in schwefeloxidierenden lithoautotrophen Organismen erheblich reduzieren. Direkte biochemische oder genetische Beweise für diese aufregenden Vorschläge sind allerdings derzeit nicht verfügbar.Wir wollen diese Lücke schließen und die genaue Rolle der neuartigen Lipoat-bindenden Proteine bei der Schwefeloxidation klären. Folgende Hauptfragen sollen beantwortet werden: [1] Funktionieren LbpA-Proteine als schwefelbindende Einheiten, die das Substrat verschiedenen katalytischen Zentren des neuen Heterodisulfidreduktase-ähnlichen schwefeloxidierenden Komplexes präsentieren? [2] Wechselt Lipoat während des katalytischen Zyklus des Hdr-ähnlichen Komplexes zwischen seiner oxidierten und reduzierten Form, sodass mindestens ein Teil der bei der Schwefeloxidation freigesetzten Elektronen direkt zur Erzeugung von NADH verwendet werden können? [3] Welche anderen Schwefeltransferasen sind an dem Prozess beteiligt?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen