Strukturuntersuchungen des prokaryotischen Kohlenstoff-Konzentrationsmechanismus

• Antragsteller: Dr. Jan Michael Schuller
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437114812

Die Bioverfügbarkeit von CO2 ist ein wichtiger wachstumsbegrenzender Faktor für Cyanobakterien und chemoautotrophe Proteobakterien. Folglich haben diese Prokaryonten einen hocheffektiven Kohlenstoffkonzentrationsmechanismus (CCM) entwickelt, der aktive und gekoppelte Transportsysteme nutzt, um hohe zelluläre Konzentrationen von Bikarbonat (HCO3-) zu ermöglichen. In einem nächsten Schritt wandeln nun Kohlensäure-Anhydrasen in den Carboxysomen das Bikarbonat in CO2 für Rubisco um, das wichtigste Enzym zur Kohlenstofffixierung. Unter alkalischen Wachstumsbedingungen wird extrazelluläres HCO3- durch aktiven und sekundären Transport aufgenommen. In diesem Prozess spielt SbtA eine große Rolle. SbtA ist ein gradientengetriebener Na+/HCO3- Symporter, der eine hohe Affinität zu HCO3- hat und zusammen mit SbtB auf einem Gencluster kodiert wird. Wie sich gezeigt hat wird die Aktivität von SbtA wird durch die Bindung an SbtB reguliert. Unter neutralen und sauren Bedingungen liegt der größte Teil des anorganischen Kohlenstoffs als gelöstes CO2 vor, dieses diffundiert in die Zelle um anschließend durch ein einzigartiges Aufnahmesystem gebunden zu werden. Hierbei werden spezielle Varianten des photosynthetischen Komplexes I (NDH-1), der NDH-1MS- und NDH-1MS-Komplexe verwendet. Die Cup-Proteine sind verantwortlich für die Kohlensaure bildende Aktivität dieser Komplexe, obwohl sie keine nennenswerte Sequenzhomologie zu anderen bekannten Kohlensäure-Anhydrasen haben. Das einzige andere molekulare System, das eine erkennbare funktionelle Ähnlichkeit zu den Cup-Proteinen aufweist, ist das Membran gebundene Kohlensäure-Anhydrasen System (DIC-CT), welches in T. crunogena entdeckt wurde. Die Aktivität des DIC-CT-Systems erfordert ein intaktes Membranpotential; daher stellt das System wahrscheinlich eine vereinfachte Version der NDH-1-Komplexe dar, dass ebenso wie diese eine CO2 Aufnahme katalysiert. In diesem Projekt werde ich strukturelle Studien durch kryo-elektronenmikroskopische Einzelpartikelanalyse mit funktionellen in vitro Assays kombinieren, um eine ganzheitliche Übersicht auf das prokaryontische CCM System zu bekommen, sowohl auf der atomaren als auch auf der funktionellen Ebene. Ich werde einige wichtige biologische Fragen beantworten: 1) Wie wird der SbtA-Transporter durch den SbtB reguliert? 2) Wie können die NDH-1-Komplexe CO2 mit Hilfe von redoxabhängigen Protonenpumpen aufnehmen? 3) Wie verwendet der Zwei-Protein-DIC-CT-Transporter einen Kationengradienten, um die gleiche biologische Funktion wie die Multi-Protein-NDH-1-Komplexe zu erfüllen? Die strukturellen und funktionellen Erkenntnisse aus dieser Studie werden einen nachhaltigen Einfluss auf die synthetische Biologie und Biotechnologie haben. Mögliche Einsatzzwecke sind die Herstellung verbesserte industrielle Mikroorganismen, die der Herstellung von höherwertigen chemischen Verbindungen, so wie der Generierung von Biokraftstoffen dienen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen