Energiekonservierung über Organohalid-Respiration in Sulfurospirillum multivorans

• Antragstellerin: Professorin Dr. Gabriele Diekert
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 171475307

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Wichtigste Ergebnisse: Entdeckung einer geschlossenen Genregion für die Organohalid-Respiration (OHR) in den Genomsequenzen von Sulfurospirillum multivorans und Sulfurospirillum halorespirans gibt erste Hinweise auf die genetischen Grundlagen für die OHR in diesen versatilen Organohalidrespirierenden Bakterien (OHRB). - Detektion von Komponenten der Organohalid-Atmungskette (PceB, Chinol-Dehydrogenase, unbekanntes Membranprotein) und ihrer Regulation (Zwei-Komponenten System) in S. multivorans mittels vergleichender Proteomik und Transkriptomik erweitert das Modell zur Chinon-abhängigen Organohalid-Atmung in diesem Organismus substantiell und stellt die Unterschiede zur Chinon-unabhängigen Variante in Dehalococcoides mccartyi heraus. - Die Wasserstoff-oxidierende Membran-gebundene [NiFe]-Hydrogenase (MBH) von S. multivorans wurde identifiziert und charakterisiert; bei der Untersuchung des H2-Metabolismus unter fermentierenden Wachstumsbedingungen wurde die Fähigkeit zur Wasserstoffproduktion in S. multivorans und damit die Möglichkeit der syntrophen Interaktion von Epsilonproteobakterien entdeckt; eine stabile syntrophe S. multivorans-D. mccartyi-Kokultur wurde etabliert, welche eine schnelle und komplette Dehalogenierung von PCE durchführt. - Die erstmalig erfolgreiche genetische Manipulation von S. multivorans und die homologe Produktion eines RDase-Affinitätstag-Fusionsproteins münden in der 3D-Strukturaufklärung der Cobamid-haltigen respiratorischen Tetrachlorethen (PCE)-reduktiven Dehalogenase, welche neue Einsichten in die Substratbindung, die Topologie der Metallcofaktoren dieses Atmungsenzyms und dessen mutmaßliche Orientierung auf der Cytoplasmamembran erlaubt. - Die Immobilisierung der PCE-RDase von S. multivorans auf Elektroden eröffnete die Möglichkeit zur elektrochemischen Charakterisierung des Enzyms und führte zur Entwicklung eines TiO2-Nanopartikel-basierten Systems zur Licht-getriebenen enzymatischen Dehalogenierung. - Die Dokumentation des effizienten Umsatzes von Bromphenolen durch die Tetrachlorethen- RDase (PceA) aus S. multivorans und die hohe Ähnlichkeit des Enzyms zu neubeschriebenen Bromphenol-RDasen aus marinen Sulfatreduzierern stellt die Frage nach dem evolutionären Ursprung des Enzyms neu. - Die Strukturaufklärung einer Vielzahl von Enzym-Substratkomplexen mit PceA von S. multivorans und aliphatischen und aromatischen, chlorierten und bromierten Organohaliden in Kombination mit deren spektroskopischen Analyse (Elektronparamagnetische Resonanzspektroskopie - EPR) deutet mechanistische Unterschiede beim Umsatz verschiedener Substrate durch RDasen an; für halogenierte Phenole wurde für PceA auf einen "long-range electron transfer mechanism" geschlossen. - Die Etablierung einer Plattform zur heterologen Produktion katalytisch aktiver reduktiver Dehalogenasen (RDasen) aus Desulfitobacterium spp. (Firmicutes) im Gammaproteobakterium Shimwellia blattae macht die eindeutige Zuordnung von Substratspektren zu einzelnen RDasen im RDase-freien Hintergrund möglich. - Die erste Mutagenesestudie an einer respiratorischen reduktiven Dehalogenasen zeigt an, dass der enzymatische Mechanismus der Dihaloeliminierung ohne Protonenbeteiligung abläuft, während für die Halogensubstitution ein Proton aus der Proteinumgebung bereitgestellt werden muss; die beteiligte Aminosäure wurde identifiziert. - Die systematische Analyse von Genomsequenzen dehalogenierender und nichtdehalogenierender Sulfurospirillum-Arten dokumentierte einen ungewöhnlich hohen Grad an Konservierung der DNA-Sequenz der OHR-Genregion; des Weiteren ist die Unfähigkeit zur OHR in S. multivorans Stamm N und S. sp. Stamm JPD-1 auf die Insertion von Transposons in regulatorischen Elementen der OHR-Genregion zurückzuführen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2012. Impact of vitamin B12 on formation of the tetrachloroethene reductive dehalogenase in Desulfitobacterium hafniense strain Y51. Appl Environ Microbiol. 78:8025-8032
  Reinhold A, Westermann M, Seifert J, von Bergen M, Schubert T, Diekert G
  
• 2014. Functional heterologous production of reductive dehalogenases from Desulfitobacterium hafniense strains. Appl Environ Microbiol 80:4313- 4322
  Mac Nelly A, Kai M, Svatoš A, Diekert G, Schubert T
  
• 2014. Structural basis for organohalide respiration. Science. 346:455-458
  Bommer M, Kunze C, Fesseler J, Schubert T, Diekert G, Dobbek H
  
• 2015. Proteomics of the organohalide-respiring Epsilonproteobacterium Sulfurospirillum multivorans adapted to tetrachloroethene and other energy substrates. Sci Rep 5:13794
  Goris T, Schiffmann CL, Gadkari J, Schubert T, Seifert J, Jehmlich N, von Bergen M, Diekert G
  
• 2016. Comparative Biochemistry of Organohalide Respiration. In Adrian, Löffler (eds.) Organohalide Respiring Bacteria. Springer Verlag Heidelberg. 397-427
  Schubert T, Diekert G
  
• 2016. Organohalid-Atmung bei Mikroorganismen. BIOspektrum 22:462-464
  Schubert T, Adrian L, Diekert G
  
• 2016. Proteomic data set of the organohalide-respiring Epsilonproteobacterium Sulfurospirillum multivorans adapted to tetrachloroethene and other energy substrates. Data Brief 8:637-642
  Goris T, Schiffmann CL, Gadkari J, Adrian L, von Bergen M, Diekert G, Jehmlich N
  
• 2016. The Genus Sulfurospirillum. In Adrian, Löffler (eds.) Organohalide Respiring Bacteria. Springer Verlag Heidelberg. 209-234
  Goris T, Diekert G
  
• 2017. Cobamidemediated enzymatic reductive dehalogenation via long-range electron transfer. Nat Commun 8:15858
  Kunze C, Bommer M, Hagen WR, Uksa M, Dobbek H, Schubert T, Diekert G
  
• 2017. Subtle changes in the active site architecture untangled overlapping substrate ranges and mechanistic differences of two reductive dehalogenases. FEBS J 284:3520-3535
  Kunze C, Diekert G, Schubert T
  
• 2017. The complete genome of the tetrachloroethene-respiring Epsilonproteobacterium Sulfurospirillum halorespirans. J Biotechnol 255:33-36
  Goris T, Schenz B, Zimmermann J, Lemos M, Hackermüller J, Schubert T, Diekert G
  
• 2017. The NiFe Hydrogenases of the Tetrachloroethene- Respiring Epsilonproteobacterium Sulfurospirillum multivorans: Biochemical Studies and Transcription Analysis. Front Microbiol 8:444
  Kruse S, Goris T, Wolf M, Wei X, Diekert G
  
• 2018. An integrative overview of genomic, transcriptomic and proteomic analyses in organohalide respiration research. FEMS Microbiol Ecol 94
  Türkowsky D, Jehmlich N, Diekert G, Adrian L, von Bergen M, Goris T
  
• 2018. Hydrogen production by Sulfurospirillum species enables syntrophic interactions of Epsilonproteobacteria. Nat Commun 9:4872
  Kruse S, Goris T, Westermann M, Adrian L, Diekert G
  
• 2018. Interspecies metabolite transfer in a coculture of Dehalococcoides and Sulfurospirillum leads to rapid and complete tetrachloroethene dechlorination
  Kruse S, Türkowsky D, Birkigt J, Matturro B, Franke S, Jehmlich N, von Bergen M, Westermann M, Rossetti S, Nijenhuis I, Adrian L, Diekert G, Goris T
  
• 2018. Organohalide respiratory chains: composition, topology and key enzymes. FEMS Microbiol Ecol 94
  Schubert T, Adrian L, Sawers RG, Diekert G
  
• 2018. Reductive tetrachloroethene dehalogenation in the presence of oxygen by Sulfurospirillum multivorans: physiological studies and proteome analysis. FEMS Microbiol Ecol 94
  Gadkari J, Goris T, Schiffmann CL, Rubick R, Adrian L, Schubert T, Diekert G
  
• 2019. Guided cobamide biosynthesis for heterologous production of reductive dehalogenases. Microb Biotechnol 12:346-359
  Schubert T, von Reuß SH, Kunze C, Paetz C, Kruse S, Brand-Schön P, Nelly AM, Nüske J, Diekert G