Forschung
Stoffwechselweg zur autotrophen Kohlenstoffdioxid-Fixierung bei Mitgliedern kürzlich beschriebener Archaeen des Stammes Thaumarchaeota
Die kürzlich beschriebenen Ammonium-oxidierenden Archaeen des Stammes Thaumarchaeota sind in marinen, geothermalen und terrestrischen Umgebungen weit verbreitet. Alle charakterisierten Repräsentativen dieses Stammes sind aerobe chemolithoautotrophe Ammoniumoxidierer, die anorganischen Kohlenstoff durch die kürzlich beschriebene Thaumarchaeota-Version des 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyratzyklus assimilieren. Diese Thaumarchaeota-Variante des 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyratzyklus benötigt weniger ATP als jeder andere autotrophe Stoffwechselweg zur Kohlenstoffdioxid-Fixierung. Eine hohe Effizienz des Anabolismus, die durch diesen autotrophen Zyklus verdeutlicht wird, passt hervorragend zum Lebensstil der Ammonium-oxidierenden Archaeen, die bei konstant geringer Energieversorgung wachsen, und liefert somit eine biochemische Erklärung für ihren ökologischen Erfolg. Obwohl einige Gene, die für die Enzyme dieses Zyklus kodieren, in den Genomen von Thaumarchaeota identifiziert wurden, sind viele andere Gene des Zyklus nicht homolog zu den charakterisierten Enzymen anderer Spezies und können daher nicht bioinformatisch identifiziert werden. Unser Ziel ist es sie zu identifizieren und biochemisch zu charakterisieren.
Stoffwechselwege zur autotrophen Kohlenstoffdioxid-Fixierung in verschiedenen thermophilen Bakterien
(Ammonifex degensii, Thermodesulfobium narugense, Desulfurella acetivorans, Hippea maritima)Mindestens sechs verschiedene autotrophe Stoffwechselwege sind in die Primärproduktion involviert und weitere Wege warten noch darauf beschrieben zu werden. Thermophile Mikroorganismen, die sich bei hohen Temperaturen entwickelt haben, werden durch diverse phylogenetische Gruppen (einschließlich der ältesten Gruppen) unter den Bakterien und Archaeen repräsentiert. Thermophile sind charakterisiert durch eine außerordentliche Varianz an biochemischen Mechanismen – sowohl durch katabole Reaktionen, die eine Nutzung von einer ungewöhnlich breiten Spanne an Elektronendonatoren und -akzeptoren ermöglichen, als auch durch anabole Stoffwechselwege, die für die Assimilation von anorganischem Kohlenstoff verantwortlich sind. In unserer Gruppe untersuchen wir die Diversität von Mechanismen der autotrophen Kohlenstoffdioxid-Fixierung in verschiedenen thermophilen Bakterien. Unsere Daten zeigen, dass A. degensii und T. narugense eine modifizierte Version des Calvin-Benson Zyklus zur Fixierung von anorganischem Kohlenstoff nutzen, während D. acetivorans und H. maritima eine Variante des reduktiven Tricarbonsäurezyklus verwenden, bei dem die Citratsynthase in die umgekehrte Richtung agiert.
https://science.sciencemag.org/content/359/6375/563.abstract
Stoffwechselwege zur autotrophen Kohlenstoffdioxid-Fixierung in hyperthermophilen Crenarchaeota (Ignicoccus hospitalis, Metallosphaera sedula, Pyrobaculum sp.)
Während aerobe autotrophe Crenarchaeota (Sulfolobales) den 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyratzyklus für die Fixierung von anorganischem Kohlenstoff nutzen, verwenden anaerobe Crenarchaeota der Ordnung Thermoproteales und Desulfurococcales den Dicarboxylat/4-Hydroxybutyratzyklus. Diese beiden Stoffwechselwege verwenden unterschiedliche Carboxylasen, um Succinyl-CoA aus Acetyl-CoA zu synthetisieren, aber sie teilen die Gemeinsamkeit der Acetyl-CoA Regenerierungsreaktion aus Succinyl-CoA über 4-Hydroxybutyrat und besitzen wahrscheinlich gemeinsame evolutionäre Ursprünge. Diese beiden Stoffwechselwege wurden erst kürzlich (2007 bzw. 2008) in Metallosphaera sedula (Sulfolobales) und Ignicoccus hospitalis (Desulfurococcales) entdeckt, und viele Enzyme der Wege wurden bisher noch nicht identifiziert und biochemisch charakterisiert.
Zudem ist I. hospitalis ein außergewöhnlicher Organismus, der zwei Membranen besitzt, eine innere und eine energetisierte äußere Membran. Die subzelluläre Lokalisierung von Enzymen, die an der autotrophen CO2-Fixierung beteiligt sind, ist eine faszinierende, aber noch nicht untersuchte Frage. Es ist beschrieben, dass einige Pyrobaculum-Arten in der Lage sind autotroph zu wachsen, jedoch besitzen sie keine Gene für die Schlüsselenzyme beider 4-Hydroxybutyrat-Zyklen in ihren Genomen und ein Stoffwechselweg über den sie CO2 fixieren ist nicht bekannt.https://www.nature.com/articles/nrmicro2365
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2020.00354/full
Itaconatabbau unter aeroben und anaeroben Bedingungen in pathogenen und saprotrophen Bakterien
Itaconat (Methylensuccinat) ist ein Metabolit der Immunantwort, welches durch aktivierte Gewebekulturen der Makrophagen produziert wird. Es beeinträchtigt den zentralen Kohlenstoffstoffwechsel von verschiedenen Pathogenen und beeinflusst dadurch ihren Metabolismus und ihr Wachstum. Itaconat ist ebenfalls als Produkt von Bodenpilzen bekannt und der Abbau von Itaconat ist ein verbreitetes Merkmal von Bodenbakterien. Wir studieren die aeroben und anaeroben Stoffwechselwege zur Verwendung von Itaconat und deren Verteilung speziell in anaeroben Bakterien.
Die Funktion von CitE-ähnlichen Proteinen in verschiedenen Stoffwechselprozessen
Die Funktion vieler Proteine, welche in den Genomen codiert sind, ist selbst für die am besten untersuchten Modellorganismen wie Corynebacterium glutamicum, Pseudomonas aeruginosa oder Salmonella enterica unbekannt. Mit Hilfe von gereinigten Proteinen haben wir kürzlich gezeigt, dass ein Citratlyase β-Untereinheit-ähnliches (CitE-ähnliches) Protein aus Yersinia pestis und P. aeruginosa als (S)-Citramalyl-CoA Lyase im Itaconatmetabolismus fungiert. Unsere Ergebnisse zeigten einen Zusammenhang zwischen Itaconatabbau und Pathogenität und lassen vermuten, dass der Itaconatabbau als ein Persistenzfaktor in verschiedenen Pathogenen angesehen werden kann. Zudem sind andere Mitglieder dieser Proteinklasse sowohl in die Acetat-Assimilation in Bakterien (Ethylmalonyl-CoA-Weg) und Haloarchaeen (Methylaspartatzyklus) involviert als auch in die autotrophe CO2-Fixierung und andere Stoffwechselprozesse. In diesem Projekt untersuchen wir die Eigenschaften von nicht-charakterisierten Mitgliedern der Familie der CitE-ähnlichen Proteinen und ihre Funktionen.