Bakterielle Reaktionszentren,
Cytochrom Komplexe, Sulfid-Chinon-Reduktase

(In Anlehnung an den 8. Forschungsbericht der Universität Regensburg) 

Forschungstätigkeiten der Arbeitsgruppe: 

Beschreibung: Photosynthetische Reaktionszentren (RCs) kommen in zwei Typen vor, entweder mit FeS-Zentren (Typ 1 = FeS-Typ) oder mit Chinonen (Typ 2 = Q-Typ) als terminale Elektronenakzeptoren. Beide besitzen eine heterodimere Kernstruktur, wie die hochaufgelöste Röntgenkristallographie sowohl vom RC der Purpurbakterien (Q-Typ) als auch vom cyanobakteriellen Photosyszem I (FeS-Typ) zeigt. Zwei zwar verwandte, aber unterschiedliche Membranproteine halten einen doppelten Satz der Redoxkomponenten in einer pseudosymmetrischen, transmembranen Anordnung. Warum? Wir gehen dieser zentralen, ungeklärten Frage mittels des P840-RC von grünen Schwefel nach. Zusammen mit dem RC der Heliobakterien stellt es eine homodimere Form des FeS-Typs dar, mit zwei identischen Membranproteinen. Einzelpartikelanalyse mittels STEM (scanning transmission electron microscopy) bestätigt eine homodimere Struktur, eine endgültige Klärung erhoffen wir uns von der 2d- und 3d-Kristallisation. Neben der Struktur scheint das P840-RC auch im Electrontransfer einfacher als sein gegenstück im PS1 zu sein. Mittels EPR- und anderen Techniken verfolgen wir Hinweise darauf, daß ein Chinon in grünen Schwefelbakterien nicht so wie Phyllochinon in PS1 für den Elektronentansport zu den FeS-Zentren unerläßlich, möglicherweise gar nicht erforderlich ist - möglicherweise wirkt es nur im zyklischen Elektronetransport.
 

Beschreibung: Cytochrome bc-Komplexe wirken als Quinol oxidierende, Protonen pumpende Oxidoreduktasen in vielen Elektronentransportketten, von Eu- und Archaebakterien bis zu den Mitochondrien und Chloroplasten der Eukaryoten. Unter ihnen ist der Cytochrome b6f-Komplex bei der oxigenen Photosynthese von Pflanzen und Cyanobakterien für die Elektronenübertragung von PSII auf PSI verantwortlich. Er enthält vier essentielle Proteinuntereinheiten (Cytochrom f/PetA, Cytochrom b6/PetB, das Rieske FeS-Protein/PetC und Untereinheit IV/PetD). In Cyanobakterien werden diese von den Transkriptionseinheiten petCA und petBD kodiert. Zusätzlich sind drei bis vier hydrophobe, sehr kleine Polypeptide bekannt (PetG, PetL, PetM und PetN), welche am Zusammenbau, und der Stabilität und/oder an der Modulation der Aktivität beteiligt sein könnten. Da der b6f-Komplex in Cyanobakterien auch in der Atmung wirkt, erfüllte er eine zentrale Rolle im Stoffwechsel.
Verschiedene filamentöse Cyanobakterienarten, wie Anabaena variabilis, können unter mikroaeroben Bedingungen atmosphärischen Stickstoff fixieren indem sie die Nitrogenase in spezialisierten Zellen vor Sauerstoff schützen. Diese Heterocysten entwickeln sich unter N-Mangel aus den vegetativen Zellen in regelmäßigen Abständen entlang des Filaments. Sie besitzen eine verdickte Zellhülle (Drosselung des O2-Eintritts), eine gesteigerte O2-Atmung und PSII ist inaktiv (keine O2-Entwicklung). PSI bleibt für die ATP-Produktion neben der durch die Atmung erhalten und damit auch der b6f-Komplex. Während der Differenzierung kommt es zur dramatischen Veränderung in der Expression einer Reihe von Proteinen. So konnte auch eine vorübergehend gesteigerte Transkription von petCA und petBD beobachtet werden. Ob es zu einer spezifischen Regulation des b6f-Komplexes in Heterocysten kommt ist allerdings noch unklar. In diesem Zusammenhang interessiert uns, ob die kleinen Untereinheiten, oder auch das kürzlich in Anabaena entdeckte, zweite Gen für ein Rieske FeS-Protein dabei eine Rolle spielen.

Förderung: DFG (Ma 1359/3)

Beschreibung: Bestimmte Blaualgen schalten unter extremen Bedingungen, z.B. in austrocknenden Pfützen der Wüstenregion, von Wasseroxidation auf Schwefelwasserstoffoxidation um. Ihre Photosynthese erinnert dann an die der grünen Schwefelbakterien oder mancher Purpurbakterien. In binationaler Zusammenarbeit ist es uns gelungen, nachzuweisen, daß die Schwefelwasserstoffoxidation sowohl in Blaualgen, als auch in den Bakterien über Chinon und den Cytochrom bc1-Komplex abläuft. Aus der Blaualge Oscillatoria, sowie aus dem Purpurbakterium Rhodobacter wurde darüber hinaus eine Sulfid-Chinon Reduktase (SQR) zur Homogenität gereinigt und als ein neuartiges Flavoprotein charakterisiert. Das Gen für die SQR aus Rhodobacter wurde kloniert, sequenziert und in E. coli unter Beibehaltung der Funktion fremdexprimiert. Über die Unterbrechung des sqr-Gens in Rhodobacter wurde gezeigt, daß die SQR für das photoautotrophe sulfidabhängige Wachstum essentiell ist. Inzwischen konnten wir SQR-Aktivität außerdem in Membranen weiterer phototropher sowie chemotropher Prokaryonten nachweisen. Wir wenden uns nun der Regulation der SQR-Expression und dem katalytischen Mechanismus der Sulfidoxidation zu. In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Otto Wolfbeis  (Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik) versuchen wir, die Fluoreszenz der SQR als Biosensor für Sulfid zu nutzen.

Literatur:
Griesbeck C., Hauska G. and Schütz M. (2000) Biological Sulfide Oxidation: Sulfide-Quinone Reductase (SQR), the Primary Reaction, Recent Research Developments in Microbiology 4, 179-203 (Download PDF-file)

Förderung: DFG (Ha 852/10-4), Graduiertenkolleg "Sensorische Photorezeptoren"