Open Access

Peter Tufar

• Nichtribosomale Peptid Synthetasen sind Quelle für eine Vielzahl an Sekundärmetaboliten mit antibiotischer Wirkung. Jede Synthetase besteht aus einer Abfolge von Modulen, wobei jedes Modul die nötigen Domänen für den Einbau eines Bausteins in das gebildeten Peptids enthält. Ein Ansatz zur Gewinnung neuer Peptidantibiotika, die angesichts der steigenden Zahl multiresistenter Keime dringend benötigt werden, ist der Austausch von Domänen oder Modulen. Aufgrund bisher noch nicht verstandener Selektivitäten, entweder zwischen den Domänen oder zwischen einzelnen Domänen und Zwischenstufen des gebildeten Peptids, führt dieser Ansatz jedoch in der Praxis oft zu keiner oder nur geringer Ausbeute. Ziel der vorgelegten Arbeit war es, einige dieser Selektivitäten zu untersuchen, wobei der Fokus auf Peptidyl Carrier Proteinen Domänen (PCPs) lag. An diese Domänen sind alle Intermediate während der Reifung des Peptids kovalent über einen Phosphopantethein-Kofaktor (Ppan-Arm) gebunden. Im ersten Teil der Arbeit sollte die Struktur einer mit einem Heptapeptid beladenen PCP mittels Lösungs-Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) bestimmt werden. Hierbei konnte die natürliche Verknüpfung zwischen Ppan-Arm und Peptid über einen Thioester nicht verwendet werden, da diese Bindung zu Hydrolyse-anfällig war. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die Substitution des Thioesters durch eine nicht hydrolysierbare Amidbindung keinen Einfluss auf die Struktur hat, wodurch die Strukturbestimmung möglich war. Hierbei zeigte sich, dass die Peptid-beladene PCP in der sogenannten A/H state Konformation vorliegt, wobei das an sie gebundene Peptid frei beweglich ist. Somit scheint es wahrscheinlich, dass die PCP keine Selektivität für das an sie gebundene Peptid aufweist. Dies ist ein Unterschied zu den strukturell ähnlichen Acyl Carrier Proteinen (ACPs) aus der bakteriellen Fettsäurebiosynthese, da diese eine Bindungstasche für die an sie gebundenen Fettsäuren ausbilden. Untersuchungen der Selektivität der Kondensationsdomäne (C Domäne) für das PCP gebundene Peptid mittels NMR-Titrationen und biochemischer Analysen konnten nicht durchgeführt werden, da sich im Laufe des Projekts zeigte, dass die aus der Synthetase herausgetrennte C Domäne katalytisch nicht aktiv war. Stattdessen sollte die Kristallstruktur einer Peptid-beladenen PCP-C Bidomäne, für welche eine katalytische Aktivität bereits gezeigt worden war, gelöst werden. Da aber bereits ein signifikanter Anteil der Bidomäne während der Expression mit dem Ppan-Arm beladen wurde, war die nötige quantitative Beladung mit dem Peptid gekoppelten Ppan-Arm in vitro nicht möglich. Eine quantitative Modifizierung mit dem Ppan-Arm in vitro war hingegen erfolgreich, und die Struktur der Ppan-beladenen Bidomäne konnte gelöst werden. Aufgrund des großen Abstands zwischen den aktiven Zentren der beiden Domänen kann es sich bei der beobachteten Orientierung nicht um jene handeln, die die beiden Domänen zueinander annehmen, wenn die C Domäne das PCP-gebundene Peptid bindet. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Modifizierung einer PCP durch eine Gruppe II Phosphopantetheintransferase (PPT) untersucht. PPTs katalysieren die Übertragung des Ppan Arms auf die Seitenkette eines in PCPs konservierten Serins. In dieser Magnesium-abhängigen Reaktion dient Coenzym A (CoA) als Quelle für den Ppan-Arm. Durch Mutation des konservierten Serins in der PCP zu Alanin konnte ein stabiler Komplex aus PCP und PPT in Anwesenheit von CoA und Magnesium kristallisiert und seine Struktur bestimmt werden. In einem Strukturmodell für den PCP/PPT Komplex war eine andere Konformation für die PCP postuliert worden, als sie in der Kristallstruktur des Komplexes zu beobachten ist. Durch Strukturbestimmung der PCP mittels Lösungs-NMR und anschließender Titrationsexperimente konnte jedoch gezeigt werden, dass sowohl die freie als auch die komplexierte PCP in Lösung ebenfalls die in der Kristallstruktur beobachtete Konformation einnehmen. Aufgrund der gelösten Kristallstruktur konnten zwei Bereiche identifiziert werden, in denen die beiden Proteine im Komplex in direktem Kontakt zueinander stehen. Der eine Bereich ist durch eine intermolekulare Wasserstoffbrücke, der andere durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Proteinen gekennzeichnet. Durch ortsspezifische Mutagenese konnten beide Wechselwirkungen gestört werden, was sich in einer Abnahme der Komplexstabilität und einer veränderten Geschwindigkeit der Übertragung des Ppan-Arms äußerte. Die große strukturelle Ähnlichkeit zwischen dem in dieser Arbeit untersuchten Komplex aus zwei in Bacillus vorkommenden Proteinen und einem humanen ACP/PPT Komplex legt die Vermutung nahe, dass die beobachteten Wechselwirkungen in vielen Organismen konserviert sind.