Studies on the rare earth elements- and calcium- dependent quinoproteins in Pseudomonas putida KT2440

Es wird seit langem angenommen, dass Metalle der Seltenen Erden (MSE) eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl verschiedener moderner Technologien spielen, für biologische Prozesse jedoch eine unbedeutende Rolle spielen. In den letzten Tagen zeigen immer mehr Beweise eine Vielzahl von Enzymen mit MSE-abhängigen Aktivitäten. Beispielsweise verwendet das bodenbewohnende Bakterium Pseudomonas putida KT2440 die MSE-abhängige Alkoholdehydrogenase (ADH) PedH (PP_2679), um von Pflanzen, Pilzen und Bakterien stammende flüchtige Stoffe abzubauen. Mechanistisch gesehen befindet sich PedH im Periplasma von P. putida und zeigt Aktivität auf einem ähnlichen Satz von Substraten wie sein streng calcium-abhängiges Gegenstück PedE (PP_2674). Als Mitglieder der Chinoproteinfamilie stützen sich beide Enzyme streng auf den Redox-Cofaktor Pyrrolochinolinchinon (PQQ), der eine wesentliche Rolle beim direkten Elektronentransfer zu einem Cytochrom vom c-Typ in der Elektronentransportkette für die bakterielle ATP-Synthese während des periplasmatischen Oxidationsprozesses spielt. Bisher gibt es keine eindeutigen Beweise dafür, warum PedH in seiner ADH-Aktivität REEs-abhängig sein könnte, während sein Gegenstück PedE Calcium verwendet, um dieselbe Funktion auszuführen. Im ersten Teil dieser Arbeit habe ich versucht, detaillierte Einblicke in die strukturelle und mechanistische Charakterisierung von PedE und PedH zu erhalten. Die Strukturanalyse zeigte deutlich, dass ein Aspartat-Aminosäurerest (D325PedH) eine signifikante Rolle bei der Optimierung von PedH in Richtung der REEs-Abhängigkeit spielt. Die Funktionsanalyse beider ADHs ergab, dass beide Enzyme in ihrem periplasmatischen Oxidationsprozess ein verwandtes Cytochrom vom c-Typ (PedF) verwenden, bei dem das REEs-abhängige PedH im Vergleich zum calciumabhängigen PedE eine höhere katalytische Effizienz aufweist. Andererseits ermöglicht mir das Verständnis der Struktur und des mechanistischen Hintergrunds von PedH in Zusammenarbeit mit zwei Forschungsgruppen, PedH als neuartiges Werkzeug für die Biokatalyse im zweiten Teil dieser Arbeit zu entwickeln. In unserer Veröffentlichung wurde PedH für einen Biosyntheseweg von 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) etabliert, einer der 12 wichtigsten erneuerbaren Chemikalien mit Mehrwert, die eine vielversprechende Alternative zur Terephthalsäure auf Erdölbasis zur Herstellung von Polymeren darstellen. Das Ziel der Netto-Null-Treibhausgasemissionen zu erreichen.