Elucidation of new autotrophic CO2 fixation pathways in bacteria

• Antragsteller: Professor Dr. Georg Fuchs
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2002 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5377683

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Autotrophe Lebewesen können Kohlendioxid als die einzige Kohlenstoffquelle für Synthesen verwenden; die autotrophe CO2-Fixierung ist der mengenmäßig wichtigste Syntheseprozess. Drei autotrophe Stoffwechselwege waren bislang etabliert. Gegenstand dieses Projektes war die Erforschung neuer CO2-Fixierungswege in Prokaryonten. Wir haben die Grundzüge dreier neuer autotropher CO2-Fixierungs-Zyklen erarbeitet, die einige Gemeinsamkeiten haben: Den 3-Hydroxypropionat-Zyklus in phototrophen Chloroflexaceen, den 3-Hydroypropionat-/ 4-Hydroxybutyrat-Zyklus in aeroben Crenarchaeen (Sulfolobales und marine Crenarchaea Gruppe I, "Thaumarchaeota"), und den Dicarboxylat-/ 4-Hydroxybutyrat-Zyklus in anaeroben Crenarcheaen (Thermoproteales und Desulfurococcales). Dieses Projekt hat die drei Stoffwechselzyklus geschlossen und alle wesentlichen Enzyme identifiziert und charakterisiert. Somit sind in der Natur insgesamt sechs autotrophe CO2-Fixierungswege verwirklicht, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben, je nach Umweltbedingung. Der Calvin-Benson-Zyklus stellt zwar den am weitesten verbreiteten Weg unter aeroben Bedingungen dar; er ist aber nicht der ursprüngliche Weg und wird nicht von Anaerobiern und Archaeen verwendet. Die alternativen Wege führen alle, von CO2 ausgehend, zur Synthese von Acetyl-CoA, das mit Recht als Drehscheibe des Stoffwechsels bezeichnet wird. Die alternativen Wege der CO2-Fixierung eignen sich unterschiedlich gut für die Assimilation von verschiedenen organischen Molekülen. Deshalb sind diese autotrophen Wege differentiell reguliert, je nach Verfügbarkeit von zusätzlichen organischen Kohlenstoffquellen. Gemeinsam ist das Problem, aus Acetyl-CoA alle Zellbausteine, auch Zucker, aufzubauen. Wir haben eine neue bifunktionelle Fructose-1,6-Bisphosphat-Aldolase-/Phosphatase entdeckt, die in Archaeen weit verbreitet ist und auch in den früh abzweigenden Linien der Bacteria vorkommt. Das hitzestabile Enzym scheint sehr ursprünglich zu sein und zwingt die Gluconeogenese in die Richtung der Fructose-6-Phosphat-Synthese. Außerdem entfernt es effektiv die hitzelabilen Triosephosphate. Es wurde vorgeschlagen, dass das Enzym ursprünglich ist und dass im Lauf der Evolution die Gluconeogenese vor der Glycolyse entwickelt wurde.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2009. 3-Hydroxypropionylcoenzyme A dehydratase and acryloyl-coenzyme A reductase, enzymes of the autotrophic 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle in Sulfolobales. J. Bacteriol. 191:4572-4581
  Teufel R, Kockelkorn D, Kung JW, Alber BE, and Fuchs G
  
• 2009. Autotrophic carbon dioxide assimilation in Thermoproteales revisited. J. Bacteriol. 191:4286-4297
  Ramos-Vera WH, Berg IA, and Fuchs G
  
• 2009. Identifying the missing steps in the autotrophic 3-hydroxypropionate CO2 fixation cycle in Chloroflexus aurantiacus. Proc. Natl. Acad. Sci. 106:21317-21322
  Zarzycki J, Brecht V, Müller M, Fuchs G
  
• 2009. Malonic semialdehyde reductase, succinic semialdehyde reductase, and succinyl-coenzyme A reductase from Metallosphaera sedula: Enzymes of the autotrophic 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle in Sulfolobales. J. Bacteriol. 191:6352-6362
  Kockelkorn D, Fuchs G
  
• 2010. Autotrophic carbon fixation in Archaea. Nature Rev. Microbiol. 8:447- 460
  Berg IA, Kockelkorn D, Ramos-Vera WH, Say RF, Zarzycki J, Hügler M, Alber B, Fuchs G
  
• 2010. Fructose 1,6-bisphosphate aldolase/phosphatase may be an ancestral gluconeogenic enzyme. Nature 464:1077-1081
  Say RF, Fuchs G
  
• 2010. Regulation of autotrophic CO2 fixation in the archaeon Thermoproteus neutrophilus. J. Bacteriol. 192:5329-5340
  Ramos-Vera WH, Labonté V, Weiss M, Pauly J, Fuchs G
  
• 2010. Study of the distribution of autotrophic carbon fixation cycles in Crenarchaeota. Microbiology 156:256-269
  Berg IA, Ramos-Vera WH, Petri A, Huber H, Fuchs G
  
• 2011. A quick spectrophotometric assay for measuring acetyl-CoA carboxylase. Anal. Biochem. 411:100-105
  Kroeger J, Zarzycki J, Fuchs G
  
• 2011. Alternative pathways of carbon dioxide fixation: insights into the early evolution of life? Annu Rev Microbiol. 65:631-658
  Fuchs G
  
• 2011. Carbon dioxide fixation in 'Archaeoglobus lithotrophicus': are there multiple autotrophic pathways? FEMS Microbiol. Lett. 319:65-72
  Estelmann S, Ramos-Vera WH, Gad'on N, Huber H, Berg IA, Fuchs G
  
• 2011. Co-assimilation of organic substrates via the autotrophic 3-hydroxypropionate bi-cycle in Chloroflexus aurantiacus. Appl. Environ. Microbiol. 77:6181-8
  Zarzycki J, Fuchs G
  
• 2011. Identification of missing genes and enzymes of autotrophic carbon fixation in Crenarchaeota. J. Bacteriol. 193:1201-1211
  Ramos-Vera, W. H., Weiss, M., Strittmatter, E. , Kockelkorn, D., G. Fuchs
  
• 2011. Labeling and enzyme studies of the central carbon metabolism in Metallosphaera sedula. J. Bacteriol. 193:1191-1200
  Estelmann, S, M. Hügler, W. Eisenreich, K. Werner, I. A. Berg, W. H. Ramos-Vera, R. F. Say, D. Kockelkorn, N. Gad´on, and G. Fuchs