Die ungewöhnlichen Enzyme des Phosphonatmetabolismus

Das gegenständliche Projekt beschäftigt sich mit der Aufklärung des biologischen Abbaus von Phosphonaten. Dieser Verbindungsklasse wurde über lange Zeit hinweg eine geringe biologische Bedeutung beigemessen. Daher ist relativ wenig über die enzymatischen Prozesse bekannt, die im Phosphonatmetabolismus eine Rolle spielen. Doch in den letzten Jahren wurde deren Wichtigkeit immer deutlicher. Die Forschungsarbeit der letzten Jahre hat gezeigt, dass die Biochemie von Phosphonaten eine Reihe ungewöhnlicher Transformationen parat hält. Das ubiquitäre Vorkommen von Phosphonaten legt die Vermutung nahe, dass es noch weitere, bisher unentdeckte Abbauwege für diese Verbindungsklasse gibt. Höhere Lebewesen können Phosphonate nicht verstoffwechseln wohingegen eine Vielzahl an Mikroorganismen, darunter auch einige Pathogene, Phosphonate zu synthetisieren und nutzen vermögen. Dies macht sie zu idealen Kandidaten für die Entwicklung neuer Wirkstoffe und hat bereits in der Vergangenheit zur Einführung verschiedener Phosphonat-basierter Medikamente und Pflanzenschutzmittel geführt. Daher ist das Verständnis der biochemischen Prozesse, die an der Biosynthese und Biodegradation dieser Verbindungsklasse beteiligt sind, essentiell. Es wird unter anderem helfen Resistenzmechanismen genauer zu verstehen und verbesserte Wirkstoffe zu entwickeln. Außerdem wurde in den letzten Jahren erkannt, dass der Metabolismus von Phosphonaten einen nicht zu vernachlässigenden Beitrag zur Klimaerwärmung liefert. Phosphonate stellen des Weiteren in vielen (vor allem marinen) Ökosystemen einen beträchtlichen Teil des zu Verfügung stehenden Phosphors dar. Aus diesen Gründen ist die Rolle von Phosphonaten im globalen Phosphorzyklus interessant. Wir planen im Rahmen des beantragten Projekts einen Beitrag zur Aufklärung des biologischen Abbausder Phosphonate Fosfomycin,Phosphaisoserine und 2- Aminoethylphosphonsäure (2-AEP) zu leisten. Diese sind aufgrund ihrer Verwendung und der Häufigkeit ihres Vorkommens von großem Interesse. Wir werden potentielle Zwischenprodukte des Abbaus der angeführten Verbindungen synthetisch-chemisch herstellen. Diese werden dann folglich in Kooperation mit nationalen (Dr. Sascha Martens)und internationalen (Prof. David Zechel, Prof. John Quinn) Kooperationspartner als potentielle Metabolite mit den jeweiligen abbauenden Enzymen getestet werden. Im Detail planen wir die Funktionsweise des erst kürzlich neu entdeckten Enzymsystems PhnY/PhnZ, das 2-AEP bzw. Phosphaisoserine abbaut, genauer zu charakterisieren. Des Weiteren soll der Abbauweg von Fosfomycin in Rhizobium huakuii PMY1 genauer untersucht werden. Außerdem soll die Stereochemie eines Schritts des 2-AEP-Abbaus durch die Phosphonoacetaldehyde-Hydrolase mit Hilfe isotopenmarkierter (und dadurch chiraler) Analoga zum natürlichen Enzymsubstrat geklärt werden. Schließlich soll ein neu isolierter Mikroorganismus klassifiziert werden, der in der Lage ist, auf Basis von Phosphaisoserine als alleinige Phosphor- und Kohlenstoffquelle zu wachsen.

Phosphor ist ein lebenswichtiger Nährstoff für alle Tiere und Pflanzen, der in aquatischen Ökosystemen oft nur eingeschränkt verfügbar ist. Alle höheren Lebewesen nutzen Phosphat als Phosphorquelle, welches speziell in marinen Lebensräumen oft nicht ausreichend vorhanden ist. Daher haben viele Mikroorganismen Strategien entwickelt um sogenannte Phosphonate als alternative Phosphorquelle zu nutzen. Es handelt sich dabei um organische Phosphorverbindungen mit einer direkten Phosphor-Kohlenstoffbindung. Lange Zeit wurde den Abbauwegen für Phosphonate wenig Aufmerksamkeit geschenkt, da man dachte, dass sie nur selten aktiv werden. Heute wissen wir, dass fast 40% aller marinen Mikroorganismen in ihrer DNA die Möglichkeit codiert haben um Phosphonate zu nutzen und sie so die Umwelt stark beeinflussen. Phosphonate werden teils in großen Mengen in die Umwelt freigesetzt und ihr Abbau ist eng verwoben mit dem globalen Kohlenstoffkreislauf. Seit kurzem ist auch bekannt, dass Phosphonatabbau zur Freisetzung großer Mengen an Methan in den oberen Ozeanschichten führen kann und so das Klima entscheidend beeinflusst. Obwohl wir heute um die Wichtigkeit dieser Verbindungen wissen, sind genaue Mechanismen ihres Abbaus oft noch unbekannt. Im Rahmen dieses FWF-Projekts wurden einige bisher völlig unbekannte Aspekte des Metabolismus von Phosphonaten erforscht und völlig neue Abbauwege erstmals charakterisiert. Somit konnte ein wesentlicher Beitrag zum besseren Verständnis der Phosphonat-Biochemie geleistet werden. Das Projekt hat sich sowohl mit dem Abbau industriell wichtiger Phosphonate, wie etwa dem klinisch eingesetzten Antibiotikum Fosfomycin beschäftigt, als auch mit dem Metabolismus von unbekannteren Verbindungen. Darunter finden sich erst kürzlich neu entdeckte Naturstoffe, wie etwas Hydroxynitrilaphos, von dem im Rahmen dieses Projektes erstmals die genaue räumliche Struktur aufgeklärt werden konnte. Besonderes Augenmerk lag auf der Erforschung bisher noch unbekannter Abbauwege für diese interessante Naturstoffklasse. So konnten wir, gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern in Italien, Kanada, Nordirland und den USA zeigen, dass es noch mehr Abbauwege gibt als bisher bekannt waren und diese erstmals genauer charakterisieren.