Projektergebnisse Elucidation of new autotrophic - gepris

Elucidation of new autotrophic CO2 fixation pathways in bacteria
Antragsteller:
Professor Dr. Georg Fuchs
Es liegt keine aktuelle Dienstanschrift vor.
Fachliche Zuordnung
Förderung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Förderung von 2002 bis 2011
Projektergebnisse
Erstellungsjahr
2012
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Autotrophe Lebewesen können Kohlendioxid als die einzige Kohlenstoffquelle für Synthesen verwenden; die
autotrophe CO2-Fixierung ist der mengenmäßig wichtigste Syntheseprozess. Drei autotrophe Stoffwechselwege
waren bislang etabliert. Gegenstand dieses Projektes war die Erforschung neuer CO2-Fixierungswege in
Prokaryonten. Wir haben die Grundzüge dreier neuer autotropher CO2-Fixierungs-Zyklen erarbeitet, die einige
Gemeinsamkeiten haben: Den 3-Hydroxypropionat-Zyklus in phototrophen Chloroflexaceen, den
3-Hydroypropionat-/ 4-Hydroxybutyrat-Zyklus in aeroben Crenarchaeen (Sulfolobales und marine Crenarchaea
Gruppe I, "Thaumarchaeota"), und den Dicarboxylat-/ 4-Hydroxybutyrat-Zyklus in anaeroben Crenarcheaen
(Thermoproteales und Desulfurococcales). Dieses Projekt hat die drei Stoffwechselzyklus geschlossen und alle
wesentlichen Enzyme identifiziert und charakterisiert. Somit sind in der Natur insgesamt sechs autotrophe
CO2-Fixierungswege verwirklicht, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben, je nach Umweltbedingung. Der
Calvin-Benson-Zyklus stellt zwar den am weitesten verbreiteten Weg unter aeroben Bedingungen dar; er ist aber
nicht der ursprüngliche Weg und wird nicht von Anaerobiern und Archaeen verwendet. Die alternativen Wege
führen alle, von CO2 ausgehend, zur Synthese von Acetyl-CoA, das mit Recht als Drehscheibe des Stoffwechsels
bezeichnet wird. Die alternativen Wege der CO2-Fixierung eignen sich unterschiedlich gut für die Assimilation von
verschiedenen organischen Molekülen. Deshalb sind diese autotrophen Wege differentiell reguliert, je nach
Verfügbarkeit von zusätzlichen organischen Kohlenstoffquellen. Gemeinsam ist das Problem, aus Acetyl-CoA alle
Zellbausteine, auch Zucker, aufzubauen. Wir haben eine neue bifunktionelle
Fructose-1,6-Bisphosphat-Aldolase-/Phosphatase entdeckt, die in Archaeen weit verbreitet ist und auch in den früh
abzweigenden Linien der Bacteria vorkommt. Das hitzestabile Enzym scheint sehr ursprünglich zu sein und zwingt
die Gluconeogenese in die Richtung der Fructose-6-Phosphat-Synthese. Außerdem entfernt es effektiv die
hitzelabilen Triosephosphate. Es wurde vorgeschlagen, dass das Enzym ursprünglich ist und dass im Lauf der
Evolution die Gluconeogenese vor der Glycolyse entwickelt wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
2011. Carbon dioxide fixation in 'Archaeoglobus lithotrophicus': are there multiple autotrophic pathways?
FEMS Microbiol. Lett. 319:65-72
Estelmann S, Ramos-Vera WH, Gad'on N, Huber H, Berg IA, Fuchs G
2011. Co-assimilation of organic substrates via the autotrophic 3-hydroxypropionate bi-cycle in
Chloroflexus aurantiacus. Appl. Environ. Microbiol. 77:6181-8
Zarzycki J, Fuchs G
2011. A quick spectrophotometric assay for measuring acetyl-CoA carboxylase. Anal. Biochem.
411:100-105
Kroeger J, Zarzycki J, Fuchs G
2011. Labeling and enzyme studies of the central carbon metabolism in Metallosphaera sedula. J.
Bacteriol. 193:1191-1200
Estelmann, S, M. Hügler, W. Eisenreich, K. Werner, I. A. Berg, W. H. Ramos-Vera, R. F. Say, D. Kockelkorn, N.
Gad´on, and G. Fuchs
2011. Identification of missing genes and enzymes of autotrophic carbon fixation in Crenarchaeota. J.
Bacteriol. 193:1201-1211
Ramos-Vera, W. H., Weiss, M., Strittmatter, E. , Kockelkorn, D., G. Fuchs
2010. Regulation of autotrophic CO2 fixation in the archaeon Thermoproteus neutrophilus. J. Bacteriol.
192:5329-5340
Ramos-Vera WH, Labonté V, Weiss M, Pauly J, Fuchs G
2010. Autotrophic carbon fixation in Archaea. Nature Rev. Microbiol. 8:447- 460
Berg IA, Kockelkorn D, Ramos-Vera WH, Say RF, Zarzycki J, Hügler M, Alber B, Fuchs G
2010. Fructose 1,6-bisphosphate aldolase/phosphatase may be an ancestral gluconeogenic enzyme.
Nature 464:1077-1081
Say RF, Fuchs G
2010. Study of the distribution of autotrophic carbon fixation cycles in Crenarchaeota. Microbiology
156:256-269
Berg IA, Ramos-Vera WH, Petri A, Huber H, Fuchs G
2009. Malonic semialdehyde reductase, succinic semialdehyde reductase, and succinyl-coenzyme A
reductase from Metallosphaera sedula: Enzymes of the autotrophic
3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle in Sulfolobales. J. Bacteriol. 191:6352-6362
Kockelkorn D, Fuchs G
2009. Identifying the missing steps in the autotrophic 3-hydroxypropionate CO2 fixation cycle in
Chloroflexus aurantiacus. Proc. Natl. Acad. Sci. 106:21317-21322
Zarzycki J, Brecht V, Müller M, Fuchs G
2009. 3-Hydroxypropionylcoenzyme A dehydratase and acryloyl-coenzyme A reductase, enzymes of the
autotrophic 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle in Sulfolobales. J. Bacteriol. 191:4572-4581
Teufel R, Kockelkorn D, Kung JW, Alber BE, and Fuchs G
2009. Autotrophic carbon dioxide assimilation in Thermoproteales revisited. J. Bacteriol. 191:4286-4297
Ramos-Vera WH, Berg IA, and Fuchs G
2011. Alternative pathways of carbon dioxide fixation: insights into the early evolution of life? Annu Rev
Microbiol. 65:631-658
Fuchs G
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