Biochemie von Coproporphyrin Ferrochelatasen

Häm ist für das Überleben von den meisten Bakterien essentiell. Gram-positive Organismen stellen Häm auf eine eigene Art her, die sich vom Biosyntheseweg, den Gram-negative Organismen oder auch Säugetiere verwenden, grundlegend unterscheidet. Viele mechanistische Fragestellungen dieses erst vor wenigen Jahren beschriebene Hämbiosyntheseweges sind zurzeit noch offen. In diesem Projekt wird das Enzym namens Coproporphyrin Ferrochelatase eingehend untersucht um Struktur-Funktionsbeziehungen aufzuklären. Ferrochelatasen bauen reduzierte Eisenatome in einen Porphyrinring ein und werden in der proteinbiochemischen Forschung schon seit einigen Jahrzehnten untersucht, allerdings wurden die Studien immer mit einem, wie sich eben kürzlich herausgestellt hat, nicht physiologisch relevanten Substrat untersucht, nämlich Protoporphyrin IX. Das richtige Substrat ist allerdings Coproporphyrin III, das zwei Propionatgruppen mehr aufweist als Protoporphyrin IX und deswegen andere Bindungseigenschaften aufweist. Coproporphyrin Ferrochelatase von dem Gram-positiven pathogenen Bakterium Listeria monocytogenes und Varianten, in denen einzelne Aminosäurereste an katalytisch wichtigen Stellen ausgetauscht sind, werden rekombinant in Escherichia coli hergestellt und gereinigt, um ein hochreines Protein für biochemische und biophysikalische Charakterisierungen zu erhalten. Mittels mehreren hochentwickelten spektroskopischen, strukturbiologischen und biochemischen Analysemethoden wird die natürliche Wildtyp Form der Coproporphyrin Ferrochelatase eingehend untersucht und mit den Varianten, die punktuell verändert sind, verglichen. Aus diesen Studien können wesentliche Rückschlüsse auf die Funktionsweise dieses Enzyms gemacht werden und mit den strukturellen Eigenschaften verknüpft werden. Das Wissen über den Reaktionsmechanismus von Copropophryin Ferrochelatasen ist notwendig um weiterführende Studien zu entwerfen, die versuchen werden die enzymatische Aktivität zu inhibieren. Eine Substanz, die spezifisch den Hämbiosyntheseweg von pathogenen Gram-positiven Bakterien inhibieren kann, ist eine vielversprechende Ausgangssubstanze für die Entwicklung dringend benötigter neuartiger Antibiotika.

Im Zuge dieses Forschungsprojektes wurde ein spezielles Enzym der bakteriellen Hämbiosynthese grundlegend erforscht. Ferrochelatasen bauen ein Eisenatom in einen sogenannten Porphyrinring ein um lebensnotwendiges Häm herzustellen. Die Art und Weise, wie das genau passiert, haben wir genauer untersucht. Die wichtigsten Fragen betrafen das Zusammenspiel der Substrate mit dem Protein sowie der strukturellen Konsequenzen. Mit dem mechanistischen Wissen, das wir angesammelt haben, ist ein großer Schritt zum Verständnis dieser enzymkatalysierten Reaktion gemacht worden. Dieses wissen hilft uns bei der Suche nach neuartigen Antibiotika, da dann die Hämbiosynthese in Gram-positiven Krankheitserregern gezielt inhibiert werden kann, wodurch das für die Bakterien essenzielle Häm nicht gebildet werden kann. Insbesondere haben wir entdeckt, dass der Porphyrinring, in dem das Eisen eingebaut wird während der Katalyse ganz bestimmte Verformungen (zB. wie ein Sattel) annimmt, die für den Eiseneinbau relevant sind. Das haben wir mittels eingehenden biochemischen und biophysikalischen, vor allem spektroskopischen Methoden herausgefunden. Einerseits haben wir die Komplexstrukturen der Enzyme mit den Substraten mittels Röntgen-Kristallographie ermittelt, andererseits haben wir dieselben Strukturen komplementär mittels Resonanz Raman Spektroskopie untersucht. Bei dieser Methode wird Laserlicht einer speziellen Wellenlänge gestreut und die Veränderungen des gestreuten Lichts analysiert. Die Forschungsergebnisse dieses Projektes bilden eine gute Basis für weitergehende Untersuchungen. Grundlagenforschung ist essenziell für Fortschritt und Weiterentwicklung in der Wissenschaft, in diesem Falle in der Suche nach dringend benötigten neuartigen antibakteriell wirkenden Substanzen. Viele Gram-positive Krankheitserreger wie zum Beispiel Staphylococcus aureus, aber auch Listeria monocytogenes weisen multiple Resistenzen gegen derzeitige Antibiotika Therapien auf, da sich die bakterielle Hämbiosynthese Gram-positiver Organismen substanziell von der des Menschen unterscheidet, ist dieser Biosyntheseweg ein geeigneter Ansatzpunkt für derartige Forschung.