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Neue Einblicke in die Evolution des Stoffwechsels

In heißen Quellen, Geysiren und schwarzen Rauchern leben Urbakterien, auch Archaea genannt. Sie leben häufig unter extremen Umweltbedingungen und bevorzugen zum Beispiel hohe Temperaturen. Die Art Pyrococcus furiosus gehört zu diesen ursprünglichsten Lebewesen. Die Teams um den Mikrobiologen Professor Peter Schönheit und um den Strukturbiologen Professor Axel Scheidig, beide Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), analysierten den Zuckerstoffwechsel dieser Archaeen-Art.

 

Dabei fanden sie den bislang unbekannten Mechanismus heraus, durch den die Umwandlung energiereicher Verbindungen, sogenannte Thioester, in Adenosintriphosphat (ATP, dem universellen Energieüberträger aller Lebewesen) ermöglicht wird. Die Entdeckung des Katalysemechanismus erlaubt neue Einblicke in die evolutionäre Entwicklung des Stoffwechsels. Die Forschenden veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

 

Beim Stoffwechsel machen Enzyme die Arbeit, so auch in Archaeen. Die sogenannten Acetyl-Coenzym A Synthetasen unter ihnen haben sich die Kieler Forscher genauer angeschaut. Denn sie ermöglichen die Übertragung eines Stoffwechselprodukts (aktiviertes Phosphat) zwischen zwei räumlich getrennten aktiven Zentren, um ATP zu bilden. Seit Beginn der Charakterisierung dieser Enzyme war es ein Rätsel, wie der Übergang funktioniert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gingen seit über zehn Jahren davon aus, dass das aktivierte Phosphat durch eine Art Schwingen vom einen zum anderen Zentrum gelangt. Diese These konnte aber bislang nicht nachgewiesen werden.

 

Mithilfe eines speziellen Verfahrens zur Darstellung der Kristallstruktur, der sogenannten Röntgendiffraktion, ist es den Kieler Forschungsteams erstmals gelungen, die dreidimensionale Architektur der Acetyl-Coenzym A Synthetase nachzuvollziehen. Mit Hilfe von neun unterschiedlichen Kristallen konnten sie Momentaufnahmen des Enzyms während der Katalyse aufnehmen und damit den sich umlagernden Proteinbereich sichtbar machen. Mit dieser Methode konnten sie sehen, dass ein Proteinsegment im Enzym das aktivierte Phosphat (~P) überträgt. Die lang diskutierte Hypothese des Schleifen-Schwingens (‚loop swinging‘) zwischen den aktiven Zentren konnte damit bewiesen werden. „Die von uns entschlüsselten Strukturen liefern wichtige Erkenntnisse für den Katalysemechanismus dieser ungewöhnlichen Enzymklasse“, freuen sich Professor Schönheit und Professor Scheidig über die Entdeckung.

 

Ausgehend von ihrer Arbeit versuchen die Forschenden nun, die Enzyme, die auch in pathogenen Mikroorganismen vorkommen, weiter zu charakterisieren. Schönheit: „Unser Wunschziel ist es, dieses für den Energiehaushalt wesentliche Enzym gezielt ausschalten zu können und damit die krankheitserregenden Organismen im menschlichen Körper wirksam zu bekämpfen.“

 

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Weiße, R. H.-J., Faust, A., Schmidt, M. C., Schönheit, P., Scheidig, A. J. (2016). Structure of NDP forming acetyl-coenzyme A synthetase ACD1 reveals large rearrangement for phosphoryl-transfer. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113:519-528 DOI: 10.1073/pnas.1518614113 Christian-Albrechts-Universität zu Kiel www.pnas.org/content/113/5/E519