Bakterielle Biolumineszenz

Die Lichtemission durch Lebewesen (Biolumineszenz) ist ein faszinierender Prozess, der bei vielen verschiedenartigen Organismen, wie Bakterien, Pilzen, Insekten, Fischen und Würmern beobachtet wird. In allen Fällen ist die Biolumineszenz das Resultat einer chemilumineszenten Reaktion, bei der chemische Energie in Lichtenergie umgewandelt wird. Obwohl die Natur dieser Reaktionen sehr unterschiedlich ist, werden sie in sämtlichen biolumineszenten Spezies durch ein als Luciferase bezeichnetes Protein katalysiert. Das Enzym bedient sich eines sogenannten Luciferins, eine Art Koenzym für die chemilumineszente Reaktion, um einen angeregten Zustand zu generieren, der unter Emission von Licht in den Grundzustand relaxiert. In unserem geplanten Forschungsprojekt beschäftigen wir uns mit der Biolumineszenz von Meeresbakterien. Diese besitzen eine alpha/beta heterodimere Luciferase, die reduziertes Flavinmononukleotid (FMN) als Luciferin verwendet. Das enzym-gebundene reduzierte FMN reagiert in der Folge mit molekularem Sauerstoff zu einem reaktiven Hydroperoxid welches anschliessend einen lang-kettigen Aldehyd, z. B. Tetradekanal, zur korrespondieren Fettsäure oxidiert. Im Zuge dieser Oxidation wird der angeregte Zustand eines FMN-Derivates erzeugt, der Licht mit einem Maximum von ca. 490 nm emittiert. Einige Meeresbakterien aus der Gattung Photobacterium besitzen ein zusätzliches Gen, luxF, welches homolog zur beta-Untereinheit der Luciferase ist. Das luxF Protein bindet interessanterweise ein myristyliertes Flavinaddukt das eine kovalente Verknüpfung zwischen der Fettsäure und dem Flavinring aufweist. Bislang geht man davon aus, dass dieses Flavinaddukt als Nebenprodukt in der Luciferasereaktion entsteht. Zudem wird vermutet, dass LuxF dieses Addukt abfängt und damit die Inhibition der Luciferase verhindert. Keine dieser beiden Annahmen wurden allerdings bislang experimentell untersucht und daher gilt unser besonderes Interesse der Aufklärung der Reaktionen, die zur Bildung des myristylierten Flavinadduktes führen und der möglichen Beziehung zur Luciferasereaktion. Mit diesem Ansatz erwarten wir einen entscheidenen Beitrag zum besseren Verständnis der molekularen Prozesse biolumineszenter Reaktionen leisten zu können.

Die Lichtemission durch Lebewesen (Biolumineszenz) ist ein faszinierender Prozess, der bei vielen verschiedenartigen Organismen, wie Bakterien, Pilzen, Insekten, Fischen und Würmern beobachtet wird. In allen Fällen ist die Biolumineszenz das Resultat einer chemilumineszenten Reaktion bei der chemische Energie in Lichtenergie umgewandelt wird. Obwohl die Natur dieser Reaktionen sehr unterschiedlich ist, werden sie in sämtlichen biolumineszenten Spezies durch ein als Luciferase bezeichnetes Enzym katalysiert. Das Enzym bedient sich eines sogenannten Luciferins um einen angeregten Zustand zu generieren, der unter Emission von Licht in den Grundzustand zurückkehrt. In dem durchgeführten Forschungsprojekt beschäftigten wir uns mit der Biolumineszenz von Meeresbakterien. Diese besitzen eine Luciferase, die reduziertes Flavinmononukleotid (FMN) als Luciferin verwendet. Das enzym-gebundene reduzierte FMN reagiert in der Folge mit molekularem Sauerstoff zu einem reaktiven Hydroperoxid welches anschließend einen lang-kettigen Aldehyd, z. B. Tetradekanal, zur korrespondieren Fettsäure oxidiert. Im Zuge dieser Oxidation wird der angeregte Zustand eines FMN-Derivates erzeugt, der blaues Licht mit einem Maximum von ca. 490 nm emittiert. Einige Meeresbakterien aus der Gattung Photobacterium besitzen ein zusätzliches Gen, luxF. Das LuxF Protein bindet interessanterweise ein myristyliertes Flavinaddukt (myrFMN) das eine kovalente Verknüpfung zwischen der Fettsäure und dem Flavinring aufweist. In unserem Forschungsprojekt konnten wir nun zeigen, dass dieses Flavinaddukt als Nebenprodukt in der Luciferasereaktion entsteht. Die Anreicherung dieser ungewöhnlichen Verbindung führt zudem zu einer Inhibierung der Luciferase und damit lässt die Leuchtkraft der Bakterien mit der Zeit nach. Um dies zu verhindern produzieren die Bakerien zusätzlich das LuxF Protein, welches das myrFMN abfängt und damit dauerhaft die Leuchtkraft der Bakterien erhält. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die hellsten Leuchtbakterien alle über das LuxF Protein verfügen. Daher haben unsere Untersuchungen auch einen Beitrag zum besseren Verständnis der Evolution von biolumineszenten Meeresbakterien geleistet.