title: Structural basis of CO2 fixation and energy conservation in acetogens
title: Strukturelle Grundlage der CO2-Fixierung und Energieerhaltung in Acetogenen
titleType: AlternativeTitle
title: CCS Working Papers
Creators: name: Kumar, Anuj
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2024
Subjects: cryo-electron microscopy
and energy conservation
natriumpumpender Rnf-Komplex
electron-bifurcating hydrogenase and transhydrogenase
Biochemistry
elektronenverzweigende Hydrogenase und Transhydrogenase
acetogens
Structural biology
Hydrogen-dependent CO2 reductase
electron transfer proteins
sodium pumping Rnf complex
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
Wasserstoffabhängige CO2-Reduktase

description: Die Fixierung von Kohlendioxid (CO2) hat aufgrund des beginnenden Klimawandels große Aufmerksamkeit erlangt. Eine vielversprechende Lösung dieses Problems stellt die bio-organische CO2-Reduktion durch acetogene Bakterien (Acetogene) dar. Hierbei handelt es sich um eine Gruppe anaerober Bakterien, welche CO2 binden, um in einer Umgebung mit extremen Lebensbedingungen überleben zu können. Dies erfolgt mit Hilfe eines sehr alten Stoffwechselsweges, dem Wood-Ljungdahl-Weg, der auf einzigartige Weise CO₂-Fixierung mit zwei lebensnotwendigen Bedingungen verbindet: Energieerhaltung bei gleichzeitiger Produktion von Biomasse. Diese Kopplung ist von entscheidender Bedeutung, da die Acetatbildung aus H2 und CO2 zur Bildung von lediglich 0,3 Mol ATP pro Mol Acetat führt, was die thermodynamische Grenze des Überlebens darstellt. Um mit dieser geringen Menge ATP zu überleben, nutzen Acetogene eine hochkomplexe bioenergetische Maschinerie für die CO2-Fixierung, die sowohl die Respiration als auch die Homöostase von Reduktionsäquivalenten verbindet. Der erste Schritt der CO2-Fixierung erfolgt in einigen Acetogenen durch die wasserstoffabhängige Kohlendioxid-Reduktase (HDCR), während die Redoxäquivalente durch den Elektronen bifurkierenden FeFe-Hydrogenase-Komplex HydABC erzeugt und durch einen multi-modularen Transhydrogenase-Komplex StnABC im Gleichgewicht gehalten werden. Um einen Ionengradienten für die ATP-Synthese aufzubauen, verwenden einige Acetogene schließlich die Fd:NAD+-Oxidoreduktase (Rnf) als primäres Respirationsenzym. Die extrem sauerstoffempfindliche Beschaffenheit dieser Komplexe und ihrer Redox-Kofaktoren stellt eine Herausforderung dar, um sie einer strukturellen Analyse zu unterziehen. Im Zuge der Arbeiten zu der hier vorgelegten Dissertation habe ich eine Methode zur anaeroben Vitrifizierung unter kontrollierten Redoxbedingungen zur Strukturbestimmung sauerstoffsensitiver Proteine mit Einzelpartikelanalyse etabliert. Die Determinierung mehrerer katalytischer Zustände unter bestimmten Stoffwechselbedingungen, zusammen mit biochemischen Analysen, sowie Simulationsdaten verhalfen zu einem tiefgreifenden Verständnis dieser molekularen Maschinen. Durch das Aufzeigen einer filamentösen Struktur der HDCR konnte erstmals ein enzymatisch dekorierter Nanodraht nachgewiesen werden, der sich zu großen, zellulären Bündeln zusammenfügt, um mutmaßlich CO2 optimal binden zu können. Die Aufklärung der Mechanismen von HydABC und StnABC wiederum zeigte, dass beide Enzyme eine besondere modulare Untereinheit zur Elektronenbifurkation durch Redox-gesteuerte Konformationsänderungen nutzen. Die intramolekulare Bewegung steuert die endergone und exergone Reduktion, die sich von allen anderen bisher bekannten Bifurkationsenzymen unterscheidet. Beide Komplexe verwenden das Konzept der Modularität: Durch Fusion eines bifurkierenden Moduls mit verschiedenen Untereinheiten können unterschiedliche Elektronen-Donoren genutzt werden, um so die enzymatische Vielfalt zu vergrößern. Schließlich ergab die Analyse der katalytischen Zustände des Rnf-Komplexes, dass das Enzym eine Kombination aus Redox-gesteuerten Konformationsänderungen und einem abwechselnden Durchlassmechanismus nutzt, um den Elektronentransfer mit dem Pumpen von Natriumionen zu koppeln. Dies würde ein neuartiges Prinzip für Ionenpumpen darstellen, das sich grundlegend von bisher bekannten Mechanismen unterscheidet. Die in dieser Arbeit entschlüsselten molekularen Prinzipien der Redox-gesteuerten Konformationsänderungen, des Aufbaus von Superkomplexen und der Modularität können allgemein auf anaerobe Bakterien und Archaeen angewendet werden und sind daher von großer Bedeutung für das Verständnis der Energieerhaltung und der chemischen Reaktionen, die notwendig sind, um am thermodynamischen Limit des Lebens noch überlebensfähig zu sein.