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Da zwischen der bakteriellen und der archaeellen Selenoprotein-Biosynthese deutliche Unterschiede existieren, sollten in dieser Arbeit trans-aktive Faktoren der Selenoprotein-Biosynthese von M. maripaludis molekulargenetisch analysiert werden um weitere Einblicke in die archaeelle Selenocystein-Biosynthesestrategie zu gewinnen. Die folgenden Ergebnisse wurden durch diese Arbeit erhalten: In Archaeen muss der Selen-Donor wie in Bakterien zu Selenophosphat phosphoryliert werden. Ohne die Aktivierung des Selen-Donors sind Archaeen nicht in der Lage Selenoproteine zu synthetisieren. Das für die Phosphorylierung des Selen-Donors verantwortliche Protein stellt in M. maripaludis interessanterweise selbst ein Selenoprotein dar. M. maripaludis ist nicht zwingend auf die Synthese von Selenocystein in einer Zwei-Schritt-Methode ausgehend von Seryl-tRNAsec, durch die Enzyme PSTK und SepSecS, angewiesen. Das Einbringen des bakteriellen Enzyms Selenocystein-Synthase in M. maripaludis, welches die gleiche Reaktion in einem Schritt durchführt, ohne Bildung des Intermediats O-Phosphoseryl-tRNAsec, ermöglicht es dem Organismus ebenfalls Selenoproteine zu bilden. Dies zeigt, dass das Intermediat O-Phosphoseryl-tRNAsec der archaeellen Selenoprotein-Biosynthese-Strategie für M. maripaludis nicht essentiell ist. Durch die Disruption eines notwendigen Faktors in der Selenoprotein-Biosynthese wird in M. maripaludis eine Veränderung der mRNA-Mengen, der für Selenoproteine und deren Cystein-haltigen Isoformen codierenden Gene ausgelöst. Diese Regulation ist unter bestimmten Bedingungen nicht reversibel. Ein Unterschied hinsichtlich der Essentialität des selenierenden Systems konnte zwischen den Stämmen M. maripaludis JJ und M. maripaludis S2 festgestellt werden. In M. maripaludis S2 ist das selenierende System essentiell. M. maripaludis JJ hingegen ist nicht auf Selenoproteine angewiesen. Weder die physiologische noch die molekulare Grundlage konnten im Rahmen dieser Arbeit aufgeklärt werden, allerdings kann das neu identifizierte HesB-ähnliche Selenoprotein als verursachender Faktor ausgeschlossen werden.
Methanosarcina acetivorans kann Kohlenmonoxid (CO) als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen. Als Endprodukte entstehen bei der Verwertung von CO neben Methan signifikante Mengen an Azetat und Formiat sowie Dimethylsulfid (DMS). In dieser Arbeit sollten verschiedene Aspekte dieses außergewöhnlichen CO-Stoffwechsels analysiert werden. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: 1) Weder die Methanogenese, noch die Bildung eines der anderen Metaboliten wird durch hohe CO-Partialdrücke gehemmt. Inhibitorstudien mit BES belegen, dass die CO-Oxidation und die Bildung von Azetat, Formiat und DMS nicht an die Methanogenese gekoppelt sind. Inhibitorstudien legen nahe, dass die Methanogenese aus CO am Aufbau eines Na+-Gradienten beteiligt ist und das Vorhandensein eines vom Protonenpotential-abhängigen Schrittes. 2) Eine neue, kostengünstige Transformationsmethode mittels Polyethylenglykol (PEG) konnte für M. acetivorans etabliert werden. Die Transformationshäufigkeit betrug ca. 1,1 x 107 Transformanden/μg DNA und liegt damit im Bereich von der der bisher etablierten Liposomen-vermittelten Transformationsmethode. 3) Mutantenanalysen und physiologische Studien belegen eine Beteiligung der Mts-Proteine in der DMS-Bildung und DMS-Verwertung, da in ihrer Abwesenheit kein DMS aus CO gebildet, kein Methan aus DMS produziert wird, und M. acetivorans nicht mehr auf DMS als Energiequelle wachsen kann. Die Mts-Proteine sind für das carboxidotrophe Wachstum jedoch nicht essentiell. Immunologische Analysen belegen eine substratabhängige Regulation von MtsF und weisen auf genetische Interaktionen der einzelnen Loci oder der Isoformen selbst hin. 4) Die monofunktionellen CODH-Isoformen von M. acetivorans sind am carboxidotrophen Wachstum beteiligt, jedoch nicht essentiell. Die beiden Isoformen der bifunktionellen CODH/ACS sind funktionell, und wenigstens eine von ihnen ist für autotrophes als auch carboxidotrophes Wachstum notwendig. Eine mögliche posttranslationale Modifikation von Cdh1 weist auf unterschiedliche physiologische Funktion und/oder Lokalisation hin. 5) Die F420H2-Dehydrogenase ist essentiell für methylotrophes, nicht jedoch für carboxidotrophes Wachstum.
In dieser Arbeit wurden zwei Schlüsselenzyme des Energiestoffwechsels in Archaeen im Hinblick auf ihre funktionellen, spektroskopischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Die Heterodisulfid-Reduktase (Hdr) katalysiert die Reduktion des terminalen Elektronenakzeptors CoM-S-S-CoB zu CoM-SH (Coenzym M) und CoB-SH (Coenzym B) und spielt eine Schlüsselrolle im zentralen Energie-konservierenden Prozess von methanogenen Archaeen. Hdr existiert in Form von zwei unterschiedlichen Enzymen: HdrDE und HdrABC. Beide weisen ein charakteristisches Cystein-reiches Sequenzmotiv (CCG-Domäne) auf, welches als Bindestelle für ein ungewöhliches [4Fe-4S]-Zentrum dient. Frühere Studien zeigten, dass das [4Fe-4S]-Zentrum in der Untereinheit HdrB lokalisiert ist und als zentraler Bestandteil des aktiven Zentrums die Fähigkeit besitzt, ein Thiyl-Radikal zu binden. Darauf aufbauend wurden genetische, spektroskopische und strukturelle Untersuchungen überwiegend am H2:Heterodisulfid-Oxidoreduktase-Komplex (Mvh:Hdr) aus Methanothermobacter marburgensis oder an der heterolog produzierten Untereinheit HdrB durchgeführt. Das Reinigungsprotokoll des Mvh:Hdr-Komplexes wurde für Kristallisationsexperimente und für ENDOR- und Mössbauer-spektroskopische Studien optimiert. Eine Kristallisation des Mvh:Hdr-Komplexes gelang nicht; doch konnten Kristalle der Heterodisulfid-Reduktase-assoziierten Hydrogenase (Mvh) bis zu einer Auflösung von 3.34 Å vermessen und mit Hilfe der anomalen Information der Elektronentransferweg zwischen den [Fe-S]-Clustern definiert werden. Ergänzende elektronenmikroskopische Studien zeigten einen unsymmetrischen Aufbau des Komplexes. DesWeiteren wurde die Untereinheit HdrB aus M. marburgensis in Methanosarcina acetivorans heterolog produziert und seine Funktionalität kinetisch und spektroskopisch nachgewiesen. Ferner wurde HdrB in Escherichia coli heterolog produziert und gereinigt, um Kristallisationsexperimente durchzuführen und es für ENDOR- und Mössbauer-Studien verfügbar zu machen. Um HdrB spektroskopisch zu vergleichen, wurde eine Untereinheit der Succinat:Chinon Oxidoreduktase (SdhE) aus Sulfolobus solfataricus ebenfalls heterolog in E. coli produziert und mittels ENDOR-Spektroskopie charakterisiert. Ein grundlegender Prozess des biogeochemischen Schwefelkreislaufes ist die dissimilatorische Sulfat-Reduktion, in der Sulfat (SO4 2􀀀) zu Schwefelwasserstoff (H2S) umgewandelt wird. Die dissimilatorische Sulfit-Reduktase (dSir), das Schlüsselenzym im Energiestoffwechsel der Sulfat-Reduzierer, besitzt einen einzigartigen Sirohäm-[4Fe-4S]-Cofaktor, der die Reduktion von Sulfit (SO3 2􀀀) zu H2S in einem 6-Elektronen-Schritt katalysiert. Um diesen Mechanismus zu untersuchen, wurden kinetische, spektroskopische und röntxi Zusammenfassung genkristallographische Methoden angewandt. Die Kristallstrukturen von dSir aus Archaeoglobus fulgidus wurden im Komplex mit Sulfit, Sulfid (S2􀀀), Kohlenmonoxid (CO), Cyanid (CN􀀀), Nitrit (NO2􀀀), Nitrat (NO3 􀀀) und Phosphat (PO4 3􀀀) gelöst. Aktivitätstest und analytische Studien zeigten, dass dSir von A. fulgidus neben Sulfit und Nitrit auch Thiosulfat und Trithionat reduziert und Letztere auch als Intermediate entstehen. Auf dieser Basis wurde ein 3-Stufen-Mechanismus postuliert, wobei jede Stufe aus einem 2-Elektronentransfer, einer Aufnahme von zwei Protonen und einer Dehydrationsreaktion besteht. Im Vergleich zur assimilatorischen Sulfit-Reduktase (aSir) aus E. coli zeigt die dSir-Struktur einen veränderten Substratkanal, eine Rotation des Sulfits um 60° und beträchtliche Konformationsänderungen der katalytischen Reste Arga170 und Lysa211. Aufgrund dieser Änderungen kann ausschließlich in dSir ein weiteres Sulfit-Molekül in van-der-Waals-Kontakt zum an das Sirohäm-gebundene Sulfit oder Schwefel-Sauerstoff-Zwischenprodukt platziert werden, das nötig ist, um Thiosulfat und Trithionat zu synthetisieren.