Propionyl-CoA-Synthase: ein Nanoreaktor mit Megapotenzial

334 KA R R I ER E, KÖP FE & KON Z E P TE Iria Grundling (geb. Bernhardsgrütter) 2010–2016 Biologiestudium an der ETH Zürich, Schweiz. 2016– 2020 Promotion am Max-PlanckInstitut für Terrestrische Mikrobiologie in Marburg bei Prof. Dr. Tobias Erb. Seit 2020 Senior Protein Engineer bei CarboCode Germany GmbH, Konstanz. VAAM-Promotionspreis 2021 Propionyl-CoA-Synthase: ein Nanoreaktor mit Megapotenzial IRIA GRUNDLING MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR TERRESTRISCHE MIKROBIOLOGIE, MARBURG DOI: 10.1007/s12268-021-1578-4 © Die Autorin 2021 ó In Mikroorganismen entstanden im Laufe der Evolution verschiedene Enzyme und Stoffwechselwege zur CO2-Fixierung, die uns als Inspiration zur nachhaltigen Umwandlung von CO2 dienen können. Ein autotropher Stoffwechselweg ist der 3-HydoxypropionatBizyklus, mit seinem Schlüsselenzym Propionyl-CoA-Synthase (PCS) [1]. PCS ist ein Fusionsenzym aus drei Domänen, das die Umwandlung von 3-Hydroxypropionat in Propionyl-CoA katalysiert (Abb. 1A). Proteinkristallographie der PCS aus Erythrobacter sp. NAP1 offenbarte im Innern des Enzyms eine Kammer, die von den drei Domänen (Ligase, Dehydratase und Reduktase) umschlossen wird und alle drei aktiven Zentren enthält (Abb. 1C, [2]). Wir konnten zeigen, dass die gesamte Reaktionskaskade innerhalb dieser Kammer abläuft, ohne dass Zwischenprodukte freigesetzt werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass das toxische Zwischenprodukt Acrylyl-CoA im Cytoplasma akkumuliert. Mit einem Volumen von nur 33 nm3 ist die Proteinkammer der PCS die kleinste bisher beschriebene selbstorganisierte Multireaktionskammer und repräsentiert eine neue Strategie, um reaktive Zwischenprodukte zu kanalisieren. Doch wie gelangen Substrate und Produkte aus der Reaktionskammer? Wir identifizierten die Ligase-Domäne als Gatekeeper. Die CoA-Ligase durchläuft während ihrer Reakti- on eine Konformationsänderung, welche die Öffnung und Schließung der Reaktionskammer bewirkt. Diese hoch koordinierte Dynamik stellt sicher, dass das reaktive Zwischenprodukt nur in der geschlossenen Reaktionskammer entsteht, und macht die PCS zu einem wahrlich raffinierten Nanoreaktor. Die Reduktase-Domäne der PCS weist hohe Ähnlichkeit mit Enzymen aus der Klasse der Enoyl-CoA-Carboxylasen/Reduktasen (ECR) auf. ECRs sind höchst effizient in der CO2Fixierung. Der Grund dafür liegt in einer ausgereiften CO2-Bindungstasche, worin das CO2-Molekül optimal für die Reaktion positioniert wird [3]. Zudem ist das aktive Zentrum vom umgebenden Wasser abgeschirmt, das andernfalls das CO2 in seiner Rolle als Elektrophil verdrängen kann. Überraschenderweise entdeckten wir die konservierten Aminosäuren dieser Bindungstasche auch in der Reduktase-Domäne der PCS, was uns eine bisher unbekannte Aktivität der PCS als Carboxylase vermuten ließ. In Gegenwart von CO2 konnten wir tatsächlich Methylmalonyl-CoA als carboxyliertes Endprodukt der PCS nachweisen, allerdings zu einem sehr geringen Anteil von ungefähr drei Prozent. In den restlichen 97 Prozent katalysiert PCS die Reduktion zu PropionylCoA (Abb. 1A). Ein genauer Vergleich der CO2-Bindungstasche in PCS und ECRs zeigt Unterschiede in der zweiten Schale um A das aktive Zentrum. Molekular-dynamische Simulationen bestätigten, dass dieB C se Unterschiede zur Fehlorientierung eines Asparagins im aktiven Zentrum führen, was destabilisierend auf die CO 2Bindung wirkt (Abb. 1B). ˚ Abb. 1: Trifunktionielle Propionyl-CoA-Synthase. A, Die drei DomäDurch gezielte nen (Ligase, Dehydratase und Reduktase) katalysieren die ReaktionsMutation konnten kaskade von 3-Hydroxypropionat zu Propionyl-CoA bzw. Methylmalowir die korrekte Ausnyl-CoA. B, Ein Aspartat blockiert das Asparagin des aktiven Zentrums richtung des Asparain einer Fehlorientiertung. C, Blick in die Reaktionskammer nach [2]. gins wiederherstelLigase: orange; Dehydratase: violett; Reduktase: grün. len, wodurch sich die Effizienz der CO2-Fixierung um das Siebenfache steigerte. Eine weitere Mutation außerhalb des aktiven Zentrums minimiert den Eintritt von Wasser in die CO2-Bindungstasche und somit die Reduktionsaktivität. Die Kombination beider Mutationen resultierte in einer PCS-Variante, die in 95 Prozent aller Reaktionen CO2 fixiert [4]. Damit gelang es uns, einen echten CO2-fixierenden Nanoreaktor zu erzeugen und den Kreis vom fundamentalen Verständnis der natürlichen CO2Katalyse zur Konstruktion neuer CO2-Biokatalysatoren erfolgreich zu schließen. Danksagung Ein herzliches Dankeschön geht an Tobias Erb und die ganze Arbeitsgruppe. Vielen Dank auch an die verschiedenen Kollaborationspartner und an SFB 987 und IMPRS für die finanzielle Unterstützung. ó Literatur [1] Zarzycki J, Fuchs G (2011) Coassimilation of organic substrates via the autotrophic 3-hydroxypropionate bi-cycle in Chloroflexus aurantiacus. Appl Environ Microbiol 77: 6181–6188 [2] Bernhardsgrütter I, Vögeli B, Wagner T et al. (2018) The multicatalytic compartment of propionyl-CoA synthase sequesters a toxic metabolite. Nat Chem Biol 14: 1127 [3] Stoffel GMM, Saez DA, DeMirci H et al. (2019) Four amino acids define the CO2 binding pocket of enoyl-CoA carboxylases/reductases. PNAS 116: 13964–13969 [4] Bernhardsgrütter I, Schell K, Peter DM et al. (2019) Awakening the sleeping carboxylase function of enzymes: engineering the natural CO2-binding potential of reductases. JACS 141: 9778–9782 Funding note: Open Access funding enabled and organized by Projekt DEAL. 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