Genetik und Biochemie der Schwefeloxidation
Die Umsetzung von Schwefelverbindungen ist eine der ältesten biologischen Strategien zur Energiekonservierung und auch heute sind schwefelmetabolisierende Prokaryoten von immenser Bedeutung für den biogeochemischen Schwefelkreislauf. Dieser globale Kreislauf hat Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, den Klimawandel und die Bioremediation. Unser Fokus liegt auf der Untersuchung des oxidativen Schwefelstoffwechsels in Bakterien, mit Schwerpunkt auf der biochemischen, biophysikalischen und strukturellen Charakterisierung der beteiligten Enzyme.
Metalloenzmye und Schwefeltransferasen
Viele Enzyme des oxidativen Schwefelstoffwechsel in Prokaryonten sind Metalloproteine, deren Bearbeitung spezielle Techniken wie den kompletten Ausschluss von Sauerstoff erfordern (Dahl 2020). Bei der Reinigung der Enzymkomplexe aus den Originalorganismen, z.B. Thioalkalivibrio thiocyanoxydans findet eine Vielzahl säulenchromatographischer Verfahren Anwendung. In einigen Fällen ist auch die Produktion in Escherichia coli möglich (Ernst et al. 2020). Im bakteriellen Cytoplasma wird reduzierter Schwefel in gebundener Form gehandhabt und an seine Zielproteine über Schwefeltransferasen weitergegeben. Diese Proteine sind ebenfalls Gegenstand unserer Forschung. Zudem entwickeln wir für Modellorganismen wie Hyphomicrobium denitrificans und Allochromatium vinosum Methoden zur Genmanipulation und verfolgen systembiologische Ansätze (Genomics, Transcriptomics, Proteomics und Metabolomics) (Koch et al. 2018).
Assemblierung von Liponsäure
Liponsäure ist ein essentielles Biomolekül, das in allen Domänen des Lebens vorkommt und nicht nur am zentralen Kohlenstoffstoffwechsel sondern auch an der dissimilatorischen Schwefeloxidation beteiligt ist (Cao et al. 2018). Die Mechanismen für den Lipoataufbau in Mitochondrien und Chloroplasten höherer Eukaryonten sind prokaryontischen Ursprungs. Wir haben einen neuartigen Weg zur Assemblierung von Lipoat in Bakterien gefunden, der auf einer sLpl(AB)-Lipoat:Protein-Ligase basiert, die Octanoat oder Lipoat an Apo-Proteine bindet, sowie auf sehr sauerstoffempfindlichen Eisen-Schwefelproteinen, LipS1 und LipS2, die zusammen als Lipoyl-Synthase wirken und zwei Schwefelatome einfügen. Wir wollen diese Enzyme und ihre Interaktionen charakterisieren, indem wir ihr Substratspektrum im Detail analysieren. Außerdem wollen wir das Vorkommen und die allgemeine Bedeutung des neuen Lipoylierungswegs in Bakterien klären und schließlich den Ursprung und die Evolution der verschiedenen Lipoylsynthesemaschinerien aufklären.
Regulation des Schwefelstoffwechsels
Viele Bakterien nutzen reduzierte Schwefelverbindungen anstelle oder zusätzlich zu organische Verbindungen. In diesen Fällen ist eine Regulation der Schwefeloxidation erforderlich, um den Stoffwechselfluss an die Umweltbedingungen anzupassen. Diese Regulation findet auf der Ebene der Transkription statt, allerdings ist über die Signaltransduktion und die beteiligten DNA-bindenden Regulatorproteine bisher nur wenig bekannt. Unser Modellorganismus Hyphomicrobium denitrificans verfügt über zwei miteinander verwandte homodimere Repressorproteine, SoxR und sHdrR, die in einem engen Zusammenspiel die Expression von sox-Genen für ein periplasmatisches Multienzymsystem zur Thiosulfatoxidation und von shr-lbpA-Genen für ein cytoplasmatischen Metalloenzymkomplex, der Sulfanschwefel zu Sulfit oxidiert, regulieren (Li et al. 2023). Wir wollen die Mechanismen, die dieser Regulation unterliegen, im Detail aufklären.
Bioinformatik
Die am Schwefelkreislauf beteiligten anorganischen und organischen Verbindungen stellen nicht nur ein riesiges Schwefelreservoir dar, sondern werden von Prokaryonten auch als Energie- und/oder Kohlenstoffquellen genutzt. Die zugrunde liegende Biochemie ist sehr komplex, die entsprechenden Stoffwechselwege sind häufig nicht konserviert und können selbst innerhalb von Stämmen derselben Art variieren. Dies erschwert ökologische und evolutive Untersuchungen, die auf der schnellen Analyse großer (meta-)genomischer Datensätze basieren und unter anderem die metabolische Kapazität mikrobieller Gemeinschaften aufklären sollen. Um diese Analysen zu erleichtern, entwickeln wir ein umfassendes äquivalentes Hidden Markov Model (HMM)-gestütztes Werkzeug zur schnellen Annotation und Syntenie-Analyse von Proteinen in prokaryotischen Genomen, die am Schwefelzyklus beteiligt sind (Tanabe et al. 2022, 2023). Unsere open-source Analysetools und Software sind über Github verfügbar. Die Berechnung von Stammbäumen gehört ebenfalls zu unserem Portfolio.
Publikationen
Hier finden Sie eine Liste unserer bisher publizierten Paper.
Mitglieder
Hier finden Sie eine Liste der aktuellen Mitglieder der Arbeitsgruppe.