ETHOX - Aufklärung der fehlenden Schritte in der archaeellen Ethanoxidation in Archaeen- die Oxidation von Ethyl-CoM zu acetyl-CoA

• Antragsteller: Dr. Tristan Wagner; Dr. Gunter Wegener
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biochemie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500258244

Die Archaeen Ca. Argoarchaeum und Ca. Ethanoperedens wandeln zur Energiegewinnung unter Ausschluss von Sauerstoff Ethan zu Kohlenstoffdioxid um. Die in diesem Prozess freigesetzten Elektronen werden an Partnerbakterien weitergegeben. Damit kontrollieren diese anaeroben Organismen die Flüsse des zweithäufigsten Erdgasbestandteils aus dem Meeresboden in die Atmosphäre. In vorangegangenen Studien konnten wir zeigen, dass Ethan durch eine neuartige Variante der Methyl-Coenzym Reduktase aktiviert wird. Dieses Enzym aktiviert das Ethan in Form des Thiol-Addukts Ethyl-Coenzym M, dass schrittweise weiter zu Acetyl-Coenzym A umgewandelt wird. Die Reaktionen und die katalytischen Enzyme für diese Umwandlung sind völlig unbekannt und werden vermutlich auf bisher unerforschter Biochemie beruhen. Auf Basis unserer jüngsten Erfolge mit der Kultivierung und Beschreibung des schnell-wachsenden Ethanoxidierers Ca. Ethanoperedens werden wir auf molekularem Level enthüllen, welche Enzyme und Reaktion die Oxidation von Ethyl-CoM zu Acetyl-CoA katalysieren. Wir werden (i) die bisher unbekannten Intermediate identifizieren (ii) die diese Intermediate erzeugenden Enzyme benennen (iii) die molekularen Mechanismen dieser Reaktionen entschlüsseln. Dieses Dreijahresprojekt wird von den zwei Projektleitern, einem Postdoc, einem Doktoranden sowie einem Experten in der Metabolit-Analyse geleitet und ausgeführt. Wir werden die durch Ca. Ethanoperedens dominerten Konsortien in einem Fermenter kultivieren, und so genügend Biomasse für unsere Versuche bereitstellen. Die Kombination aus lsotopenmarkierungsversuchen und Metabolitanalysen wird uns erlauben, die Intermediate in der Oxidation von Ethyl-CoM zu Acetyl­CoA zu identifizieren. Die vergleichende Analyse von Genomen, Transkriptomen und Proteomen wird uns ermöglichen, Kandidat-Enzyme für die Oxidationsreaktionen zu bestimmen. Die in diesen Enzymen vorgeschlagen Reaktionen werden wir in Zellextrakten und später in ausgewählten Proteinfraktionen unter Beigabe von Ethyl-CoM, Elektronenakzeptoren und zusätzlichen Intermediaten untersuchen. Um die Enzyme mit ihren Kofaktoren zu erhalten, werden wir diese aus nativen Zellextrakten des Ethanoxidierers isolieren, eine Herausforderung, die wir zuvor schon in der Charakterisierung der ECR gemeistert haben. Die Struktur der Enzyme wird durch Kristallisation und Röntgenbeugung ermittelt. Die Aufklärung der Transformation von Ethyl-CoM zu Acetyl-CoA wird das Wissen über den katabolen Stoffwechselweg der anaeroben Ethanoxidierer komplettieren. Aus diesem Wissen könnten sich allgemeine Prinzipien für den Abbau von anderen kurz- und langkettigen Kohlenwasserstoffen in Archaeen ableiten. Die Erkenntnisse dieser Arbeit sind die Voraussetzung für die biotechnologische Entwicklung der mikrobiellen Reduktion von CO2 zu Ethan. Dieser Prozess könnte eine Basis dafür bilden, wie wir in der Zukunft Treibhausgase binden und Energie in Form von erneuerbaren Gase speichern können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Julius Sebastian Lipp