Aufklärung des Elektronentransportweges zwischen dem Sauerstoff-reduzierenden Cytochrom bcc-aa3-Superkomplex und der respiratorischen Nitratreduktasen in Streptomyces coelicolor Sporen

• Antragsteller: Professor Dr. Gary Sawers
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451873373

Streptomyces coelicolor ist ein saprophytisches Bodenbakterium, das einen komplexen Entwicklungszyklus mit verschiedenen Myzelstadien und einem Sporenstadium durchläuft. Zum Wachstum benötigt das Myzel Sauerstoff (O2), wobei die dafür genutzte aerobe Atmungskette eine Cytochrom c Oxidase der Cu-aa3-Klasse beinhaltet. Die Tatsache, dass die Actinobacterien ausschließlich ein membranassoziiertes Cytochrom c besitzen, erfordert die Ausbildung eines Cytochrom bcc-aa3 Oxidase Superkomplexes. Ebenso wie Myzel nutzen auch Sporen bei aerober Atmung somit den Elektronentransport über den Superkomplex. Darüber hinaus sind sowohl die Myzelstadien als auch Sporen in der Lage, Nitrat als Elektronenakzeptor zu nutzen. Allerdings unterstützt Nitrat nicht das Wachstum von Myzel. Nichtsdestotrotz trägt die Nitratatmung unter Sauerstofflimitierung zur Aufrechterhaltung des Protonengradienten bei. Unsere Studien haben gezeigt, dass Nar1 ausschließlich in Sporen vorkommt, Nar2 im exponentiell wachsenden Myzel vorhanden ist, und Nar3 im stationären Myzel aktiv ist. Weiterhin konnten wir aufklären, dass Nar1 für seine Aktivität überraschenderweise auf den Cytochrom-bcc-aa3-Superkomplex angewiesen ist. Die Anreicherung einer Strep-tag-Variante des Nar1 Enzyms führte zur Ko-Reinigung der Rieske (QcrA)- sowie CtaC-Untereinheiten des Superkomplexes, was auf eine direkte Interaktion der Enzymkomplexe hindeutet. Es liegt daher nahe, dass die Elektronen, die der Oxidation des Menachinols entstammen, über ein membranassoziiertes Cytochrom c innerhalb des Superkomplexes auf Nar1 umgeleitet werden. Ein Elektronentransfer vom Superkomplex auf Nar1 würde es ermöglichen, die Nitratreduktion mit dem Q-Zyklus des Cytochrom-bcc-Komplexes zu verbinden und dadurch mehr Energie zu konservieren. Im vorliegenden Antrag wollen wir zunächst: 1) bestimmen, ob Nar1 direkt mit dem respiratorischen Superkomplex in Sporen interagiert, um zu ermitteln, wie und wo die Elektronen zu Nar1 innerhalb des Superkomplexes abzweigen; 2) nachweisen, ob die Nitratreduktion tatsächlich mit dem Q-Zyklus des Cytochrom-bcc-Komplexes gekoppelt werden kann. Darüber hinaus soll die Zusammensetzung des Cytochrom-bcc-aa3-Superkomplexes in exponentiell wachsendem Myzel bestimmt werden, um eine mögliche Interaktion mit Nar2 zu untersuchen. Zudem soll untersucht werden, ob in stationärem Myzel Nar3 ebenfalls eine Abhängigkeit zum Cytochrom-bcc-aa3-Superkomplex aufweist. Diese Experimente sollen mit biochemischen Ansätzen in Kombination mit chemischer Quervernetzung und massenspektrometrischen Methoden durchgeführt werden. Diese alternative Art der Atmung sowie die Energiekonservierung würden sowohl die Überlebensfähigkeit als auch die Beständigkeit von Sporen und Myzel in einer Umgebung mit ständig wechselnden O2-Konzentrationen sicherstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen