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Struktur, Funktion und mikrobielle Biosynthese methylierter Menachinon-Derivate

Hein, Sascha (2019):
Struktur, Funktion und mikrobielle Biosynthese methylierter Menachinon-Derivate.
Darmstadt, Technische Universität,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Die meisten biologischen Spezies der Erde sind abhängig von isoprenoiden Chinonen, welche in ihren Atmungsketten vorkommen. Bei Spezies in anaeroben Habitaten dominieren Menachinon (MK) und dessen methylierte Derivate Methylmenachinon (MMK) und Dimethylmenachinon (DMMK) als membrangebundene Redoxmediatoren. Gerade den methylierten Menachinonen wird eine essentielle Rolle in Elektronentransportketten zugeschrieben, die bei relativ negativen Standardredoxpotentialen operieren. Jedoch war die genaue Struktur und die Biosynthese der methylierten Menachinone bis dato unklar. Diese Arbeit beschreibt die Identifizierung und Charakterisierung neuartiger C-8 Menachinon- Methyltransferasen, welche zur Klasse C der radikalischen SAM Methyltransferasen (RSMT) gehören. Die Enzyme wurden MenK oder MqnK genannt, in Abhängigkeit davon welchen MK-Biosyntheseweg die MMK-produzierenden Organismen nutzen. Die heterologe Produktion der mqnK/menK-Gene aus Wolinella succinogenes, Adlercreutzia equolifaciens und Shewanella oneidensis in Escherichia coli führte zu einer Produktion von 8-MMK8 bzw. dem bisher nicht beschriebenen C-8 methylierten 2-Demethylmenachinon (8-MDMK8). Die Position der Methylgruppen der isolierten Chinone wurde mithilfe zweidimensionaler NMR bestimmt, und durch cyclovoltammetrische Messungen wurde für die methylierten Derivate ein negativeres Redoxpotential gemessen als für Menachinon. Des Weiteren wurde im Genom des DMMK-produzierenden Organismus A. equolifaciens ein weiteres menK-Homolog (menK2) identifiziert. MenK2 wurde in E. coli sowie in W. succinogenes produziert, was zu einer spezifischen Methylierung des Menachinons an Position C-7 führte. In Kombination mit dem nativen MqnK wurde in W. succinogenes erfolgreich 7,8-DMMK6 produziert. Durch die Charakterisierung von chimären Proteinen aus Teilen von MenK und MenK2 wurde der Teil der Methyltransferasen, der für die ortsspezifische Methylierung entscheidend ist, eingegrenzt. Die biochemische Charakterisierung der gereinigten C-8 Menachinon-Methyltransferase aus A. equolifaciens (AeMenK) zeigte die Existenz eines sauerstoffsensiblen und redoxaktiven [4Fe-4S]-Zentrums. Nach der Entwicklung eines Aktivitätstests wurden durch LC-MS basierte Methoden und dem Einsatz von deuterierten Substraten zum einen die Stöchiometrie der Produkte der Methylierungsreaktion bestimmt und zum anderen der Nachweis erbracht, dass die Methylierung des nicht-nukleophilen Kohlenstoffatoms des Menachinons über einen radikalischen Mechanismus erfolgt. Mithilfe dieser Erkenntnisse wurde der Reaktionsmechanismus von AeMenK aufgeklärt. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben nicht nur die Nutzung der MenK2- und MenK/MqnK-Enzyme als Biomarker zur Vorhersage der MMK- und DMMK-Produktion, sondern erweitern auch das Verständnis über die Enzymologie der Klasse C RSMT-Enzyme. Dieses Wissen ist essentiell, um zukünftige biotechnologische Prozesse für die Methylierung von inerten Kohlenstoff- oder Phosphoratomen zu entwickeln.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Hein, Sascha
Title: Struktur, Funktion und mikrobielle Biosynthese methylierter Menachinon-Derivate
Language: German
Abstract:

Die meisten biologischen Spezies der Erde sind abhängig von isoprenoiden Chinonen, welche in ihren Atmungsketten vorkommen. Bei Spezies in anaeroben Habitaten dominieren Menachinon (MK) und dessen methylierte Derivate Methylmenachinon (MMK) und Dimethylmenachinon (DMMK) als membrangebundene Redoxmediatoren. Gerade den methylierten Menachinonen wird eine essentielle Rolle in Elektronentransportketten zugeschrieben, die bei relativ negativen Standardredoxpotentialen operieren. Jedoch war die genaue Struktur und die Biosynthese der methylierten Menachinone bis dato unklar. Diese Arbeit beschreibt die Identifizierung und Charakterisierung neuartiger C-8 Menachinon- Methyltransferasen, welche zur Klasse C der radikalischen SAM Methyltransferasen (RSMT) gehören. Die Enzyme wurden MenK oder MqnK genannt, in Abhängigkeit davon welchen MK-Biosyntheseweg die MMK-produzierenden Organismen nutzen. Die heterologe Produktion der mqnK/menK-Gene aus Wolinella succinogenes, Adlercreutzia equolifaciens und Shewanella oneidensis in Escherichia coli führte zu einer Produktion von 8-MMK8 bzw. dem bisher nicht beschriebenen C-8 methylierten 2-Demethylmenachinon (8-MDMK8). Die Position der Methylgruppen der isolierten Chinone wurde mithilfe zweidimensionaler NMR bestimmt, und durch cyclovoltammetrische Messungen wurde für die methylierten Derivate ein negativeres Redoxpotential gemessen als für Menachinon. Des Weiteren wurde im Genom des DMMK-produzierenden Organismus A. equolifaciens ein weiteres menK-Homolog (menK2) identifiziert. MenK2 wurde in E. coli sowie in W. succinogenes produziert, was zu einer spezifischen Methylierung des Menachinons an Position C-7 führte. In Kombination mit dem nativen MqnK wurde in W. succinogenes erfolgreich 7,8-DMMK6 produziert. Durch die Charakterisierung von chimären Proteinen aus Teilen von MenK und MenK2 wurde der Teil der Methyltransferasen, der für die ortsspezifische Methylierung entscheidend ist, eingegrenzt. Die biochemische Charakterisierung der gereinigten C-8 Menachinon-Methyltransferase aus A. equolifaciens (AeMenK) zeigte die Existenz eines sauerstoffsensiblen und redoxaktiven [4Fe-4S]-Zentrums. Nach der Entwicklung eines Aktivitätstests wurden durch LC-MS basierte Methoden und dem Einsatz von deuterierten Substraten zum einen die Stöchiometrie der Produkte der Methylierungsreaktion bestimmt und zum anderen der Nachweis erbracht, dass die Methylierung des nicht-nukleophilen Kohlenstoffatoms des Menachinons über einen radikalischen Mechanismus erfolgt. Mithilfe dieser Erkenntnisse wurde der Reaktionsmechanismus von AeMenK aufgeklärt. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben nicht nur die Nutzung der MenK2- und MenK/MqnK-Enzyme als Biomarker zur Vorhersage der MMK- und DMMK-Produktion, sondern erweitern auch das Verständnis über die Enzymologie der Klasse C RSMT-Enzyme. Dieses Wissen ist essentiell, um zukünftige biotechnologische Prozesse für die Methylierung von inerten Kohlenstoff- oder Phosphoratomen zu entwickeln.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Microbial Energy Conversion and Biotechnology
Date Deposited: 02 Jun 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8496
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-84968
Referees: Hein, Sascha
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 12 April 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
The membranous quinone/quinol pool is essential for most life forms. In the anaerobic world, the major quinones are menaquinone (MK) and a methylated form of MK, called methylmenaquinone (MMK) and dimethylmenaquinone, which are specifically used in low potential electron transport chains involved in anaerobic respiration processes. However, the exact structure and biosynthesis of methylated menaquinones is still unclear. This work aimed to understand the biosynthesis and enzymology of bacterial MMK production.English
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