Phycocyanobilin Biosynthese in photosynthetischen eukaryotischen Algen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Nicole Frankenberg-Dinkel; Professor Dr. Eckhard Hofmann
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 256368057

OffenkettigeTetrapyrrole (Biline) sind in vielen Organismen weit verbreitet und erfüllen dort unterschiedliche Funktionen. Cyanobakterien, Rotalgen und Cryptophyten sind Organismen mit der höchsten Konzentration an (Phyco-)Bilinen. In diesen Organismen werden Biline sowohl für die Lichtsammlung (Phycobiliproteine) als auch für die Lichtwahrnehmung (Phytochrome) eingesetzt. Im Rahmen dieses Förderantrags werden wir ungewöhnliche biosynthetische Wege zum türkisfarbenen Phycocyanobilin (PCB) untersuchen. Während Cyanobakterien ein einzelnes Enzym der Ferredoxin-abhängigen Bilinreduktasen (FDBR) verwenden, um Biliverdin IXalpha in einem Vier-Elektronen-Reduktionsschritt in PCB umzuwandeln, fehlt einigen Algen dieses Enzym, obwohl sie signifikante Mengen dieser Pigmente entweder in ihren Phycobiliproteinen oder in lichtwahrnehmenden Phytochromen enthalten. Die Rotalge Galdieria sulphuraria, Mitglied der Cyanidiales, verwendet beispielsweise nur PCB in ihren lichtsammelnden Phycobiliproteinen, hat aber kein klassisches biosynthetisches Enzym für PCB. Es besitzt jedoch Gene, die für zwei FDBRs kodieren, die an der Biosynthese des PCB-Isomers Phycoerythrobilin (PEB) beteiligt sind. Erste Daten deuten darauf hin, dass PEB in diesem Organismus tatsächlich ein biosynthetischer Vorläufer von PCB ist und dass eine bisher unbekannte Isomerase die Umwandlung katalysiert. Ein Hauptziel dieses Antrages ist es daher, diese enzymatische Aktivität aus G. sulphuraria mittels klassischer Proteinchromatographie zu reinigen und mit einem bioinformatischen Ansatz zu identifizieren. Nach der Identifizierung werden rekombinante Kandidatenproteine gereinigt und anschließend strukturell und katalytisch analysiert. In einem zweiten Teil untersuchen wir ein Homolog der pflanzlichen FDBR HY2 aus der Streptophytenalge Klebsormidium flaccidum (KflaHY2). Während das Enzym aus höheren Pflanzen Biliverdin IXalpha in einer Zwei-Elektronen-Reduktion in Phytochromobilin umwandelt, synthetisiert das Algenprotein PCB. Basierend auf unserer kürzlich gelösten Kristallstruktur der FDBR PEBB wurde ein Strukturmodell für KflaHY2 generiert, was darauf hindeutet, dass innerhalb der HY2-Familie ein Aspartat/Aspargin-Austausch stattgefunden hat. Hier möchten wir bestätigen, dass dieser Aminosäureswitch der Grund für die veränderte katalytische Spezifität ist, indem wir mehrere Mitglieder dieser Outgroup analysieren und andere molekulare Faktoren für diese überraschende Änderung der Funktion identifizieren. Da die dreidimensionale Anordnung der Bindetasche der Enzyme für die Interpretation dieser Funktionsdaten unerlässlich ist, werden wir unsere Bemühungen auf die Auflösung einer Kristallstruktur von KflaHY2 konzentrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen