Energy conservation via organohalide respiration in Sulfurospirillum multivorans
Final Report Abstract
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.
Publications
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