Strukturelle und mechanistische Untersuchungen einer dimeren Chloritdismutase

Die Belastung von Trinkwasser, Grundwasser und Böden durch Chlorit (ClO2-) wird zu einem immer größer werdenden Umweltproblem, da Chlorit wegen seiner oxidativen Eigenschaften für lebende Zellen toxisch ist. Interessanterweise können viele Bakterienarten aber Chlorit mit Hilfe eines Enzyms namens Chloritdismutase in harmloses Chlorid (Cl-) und Sauerstoff (O2) abbauen. Dabei wird eine O-O Bindung gebildet, eine Reaktion wie sie bisher nur in phototrophen und sauerstofffreisetzenden Organismen (z.B. Pflanzen) beobachtet werden konnte. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften könnte Chloritdismutase in Zukunft beim Abbau von Chlorit in Trinkwasser oder als Generator von O2 in verschiedensten biotechnologischen Anwendungen eingesetzt werden. Dazu ist es aber nötig, die Struktur- Funktionsbeziehungen in diesem biologischen Katalysator besser zu verstehen. Ziel dieses Projektes ist es daher, den genauen Mechanismus des Chloritabbaus durch Chloritdismutase herauszufinden. Es ist bereits gelungen, das Enzym funktional in großen Mengen rekombinant herzustellen und dessen dreidimensionale Struktur in atomarer Auflösung aufzuklären. Dies ist nun eine ausgezeichnete Voraussetzung, die molekularen Teilschritte und Enzymintermediate, die Chloritdismutase beim Abbau des Substrats durchläuft, zu eruieren. Hier ist festzuhalten, dass dazu widersprüchliche Hypothesen in der Fachliteratur kursieren und unklar ist, ob z.B. Chlormonoxid oder Hypochlorit als Zwischenprodukt entsteht, oder warum und wie das Enzym bei höheren pH-Werten inaktiviert wird. Ein Projekt im Forschungsbereich der molekularen Katalyse benötigt die umfassende Anwendung vieler biochemischer und biophysikalischer Methoden: (i) rekombinante Produktion des Wild-Typ Enzyms und von Einzelmutanten; (ii) die Charakterisierung dieser Eisenproteine mit verschiedensten spektroskopischen und electrochemischen Methoden, um die Struktur und Reaktivität des aktiven Zentrums besser zu verstehen; (iii) Analyse der individuellen Reaktionsschritte und Charakterisierung der elektronischen Struktur der Redoxintermediate, die für die Katalyse relevant sind, z.B. durch Stopped-flow Spektroskopie; und (iv) die Aufklärung der Röntgen-undNeutronen-Kristallstrukturen. Diese Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit international anerkannten Spezialisten aus Österreich, Italien, Belgien und USA durchgeführt. Das erworbene Wissen über Struktur und Funktion von Chloritdismutase wird die Basis liefern sowohl zum Verständnis der physiologischen Rolle dieser Enzyme in Bakterien als auch zu möglichen biotechnologischen Anwendungen wie z.B. der Dekontamination von verseuchtem Trinkwasser.

Die Belastung von Trinkwasser, Grundwasser und Böden durch Chlorit wird zu einem immer größer werdenden Umweltproblem, da Chlorit wegen seiner oxidativen Eigenschaften für lebende Zellen toxisch ist. Interessanterweise können viele Bakterienarten aber Chlorit mit Hilfe eines Enzyms namens Chloritdismutase in harmloses Chlorid und Sauerstoff abbauen. Dabei wird eine O-O Bindung gebildet, eine Reaktion wie sie bisher nur in phototrophen und sauerstofffreisetzenden Organismen (z.B. Pflanzen) beobachtet werden konnte. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften könnte Chloritdismutase in Zukunft beim Abbau von Chlorit in Trinkwasser oder als Generator von Sauerstoff in verschiedensten biotechnologischen Anwendungen eingesetzt werden. Dazu war es aber nötig, die Struktur-Funktionsbeziehungen in diesem biologischen Katalysator besser zu verstehen. Dies wurde in diesem Projekt umgesetzt. Ziel dieses Projektes war es daher, den genauen Mechanismus des Chloritabbaus durch Chloritdismutase herauszufinden. Dazu wurde das Eisen-Enzym funktional in großen Mengen rekombinant hergestellt und die dreidimensionale Struktur des Wildtyp-Proteins und vieler Mutanten in atomarer Auflösung aufgeklärt. Vierzehn Röntgenstrukturen von Chloritdismutasen mit und ohne gebundenen Liganden konnten aufgeklärt werden. Weiters konnte in diesem Projekt geklärt werden, welche Rolle die Dynamik des katalytischen Arginins auf der distalen hydrophoben Hämseite bei den einzelnen Reaktionsschritten spielt. Zudem wurden die elektronischen und spektroskopischen Eigenschaften der beteiligten Redoxintermediate durch die Multimixing-UV-Vis-Stopped-flow-Technik und mittels Elektronspin-Resonanzspektroskopie aufgeklärt und ein Reaktionsmechanismus vorgeschlagen, der auch die bei höheren pH-Werten beobachteten irreversiblen Inaktivierungen des Enzyms beinhaltet. Es wurde gezeigt, dass die Stabilität des Redoxintermediates Compound I mit steigenden pH-Werten abnimmt und dass die Zugabe von Einelektronendonoren wie z.B. Serotonin die Inhibierung teilweise stoppen kann. Diese Arbeiten wurden in enger Zusammenarbeit mit international anerkannten Spezialisten aus Österreich und Belgien durchgeführt. Das erworbene Wissen über Struktur und Funktion von Chloritdismutase liefert die Basis sowohl für das Verständnis der physiologischen Rolle dieser Enzyme in Bakterien als für mögliche biotechnologischen Anwendungen wie z.B. der Dekontamination von verseuchtem Trinkwasser.