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Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät - Jahrgang 2019

 

Titel Ein neuer Weg der mikrobiellen Schwefeloxidation
Das Heterodisulfidreduktase-ähnliche System
Autor Tobias Koch
Publikationsform Dissertation
Zusammenfassung Heterodisulfidreduktase-Komplexe vom ABC-Typ koppeln in methanogenen Archaeen durch eine Flavin-basierte Elektronen-Bifurkation die endergone Reduktion von Ferredoxin mit der exergonen Reduktion von CoM-S-S-CoB. Hdr-ähnliche Komplexe mit einer potentiellen Involvierung in den mikrobiellen dissimilatorischen Schwefelmetabolismus sind in Desulfurikanten und Sulfurikanten bekannt. Basierend auf Transkriptom- und Proteom-Analysen wird postuliert, dass Hdr-ähnliche Systeme in Sulfurikanten eine Funktion im Rahmen der Oxidation reduzierter Schwefelverbindungen einnehmen und das Dsr-System funktionell ersetzen.
In Ermangelung eines Modellorganismus konnte diese Hypothese bisher nicht experimentell bewiesen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Alphaproteobakterium Hyphomicrobium denitrificans XT als Modellorganismus zur Untersuchung der Rolle Hdr-ähnlicher Systeme etabliert. Ein genetisches System erlaubt eine gerichtete Mutagenese des Genoms des Organismus einschließlich der Generierung von Deletionsmutanten und deren Komplementierung in trans. Im Gegensatz zu vorherigen Berichten konnte für Hyphomicrobium X ein oxidativer dissimilatorischer Schwefelmetabolismus mit organischen und anorganischen Substraten nachgewiesen werden. Immunologische, Genom- und Proteom-Analysen belegten die Beteiligung eines Hdr-ähnlichen Systems. Im Gegensatz zum Wildtyp konnte eine Deletionsmutante ohne funktionellen Hdr-ähnlichen Komplex nicht mehr mit Dimethylsulfid als Substrat wachsen. Während einer Co-Fermentation mit Methanol und Thiosulfat oxidierte die Mutante Thiosulfat nur unvollständig zu Tetrathionat und nicht vollständig zu Sulfat. Die Komplementierung in trans der Deletionsmutante mit einem kompletten hdr-ähnlichen Gencluster resultierte in einem wildtypischen Phänotyp und lieferte den erstmaligen genetischen Beweis für eine Beteiligung Hdr-ähnlicher Systeme an der Oxidation reduzierter Schwefelverbindungen.
Eine Deletionsmutante für das im erweiterten hdr-ähnlichen Gencluster kodierte Lipoatbindeprotein LbpA glich in ihrem Phänotyp der Δhdr-Mutante und unterstützt damit die Theorie, dass LbpAs eine essentielle Rolle für die Funktion Hdr-ähnlicher Systeme in Sulfurikanten spielen. Damit konnte Liponsäure eine bisher unbekannte Funktion im oxidativen dissimilatorischen Schwefelstoffwechsel zugewiesen werden.
Durch die heterologe Expression ganzer erweiterter hdr-ähnlicher Genloki wurde gezeigt, dass diese ein funktionelles Operon bilden. Mit HdrA aus Hyphomicrobium X konnte erstmalig eine Untereinheit eines Hdr-ähnlichen Systems mit ihren prosthetischen Gruppen rekombinant in Escherichia coli produziert, aufgereinigt und kristallisiert werden. Spektroskopische und kristallographische Analysen des Proteins zeigten, das HdrA einen Homodimer ausbildet, der pro Untereinheit jeweils ein 4Fe-4S-Cluster und ein FAD bindet. Für beide Cofaktoren konnten die jeweiligen Redoxpotentiale ermittelt werden. Sowohl die Kristallstruktur als auch durch UV/Vis-Spektroskopie unterstützte Redoxtitrationen des Eisen-Schwefel-Flavoproteins zeigten, dass der FAD-Cofaktor von HdrA ein stabiles Semichinon ausbildet. Damit ist es wahrscheinlich, dass HdrA in Sulfurikanten keine Elektronen-Bifurkation vollzieht.
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© Universitäts- und Landesbibliothek Bonn | Veröffentlicht: 31.01.2019