Bakterien nutzen ein riesiges Repertoire an bisher unentdeckten Deacylasen

Eine bisher in Bakterien nur unvollständig untersuchte Enzymklasse ist erstmals systemisch strukturell und funktionell erforscht worden: Tausende bakterielle Enzyme wurden dabei identifiziert und wichtige Hinweise auf deren evolutionäre Entwicklung gewonnen.

Alle Organismen sind in der Lage, wichtige zelluläre Prozesse an den Stoffwechselzustand anzupassen. So wird exakt koordiniert, dass bestimmte Reaktionen, wie die Herstellung von Proteinen und anderer Biomoleküle, nur dann stattfindet, wenn die Zellen nicht unter Nährstoffknappheit leiden. Dazu nutzen diese Organismen Moleküle, die als Indikatoren des Stoffwechselzustandes fungieren und die zudem dazu genutzt werden können, um die Aktivität von Biomolekülen entsprechend daran anzupassen.

Eines dieser zentralen Stoffwechselmoleküle ist die aktivierte Essigsäure (Acetyl-Coenzym A). Zelluläre Level von Acetyl-CoA können genutzt werden, um den Stoffwechselzustand der Zellen zu messen. Ist die Konzentration in den Zellen hoch, deutet das auf eine hohe Stoffwechselaktivität unter Bedingungen einer reichlichen Verfügbarkeit von Nährstoffen hin. Ist die Konzentration hingegen niedrig, liegen Bedingungen der Nährstoffknappheit vor. Frühere Studien haben gezeigt, dass Acetyl-CoA in Zellen enzymatisch und nichtenzymatisch zur Acetylierung von Biomolekülen führt. Damit die Modifikation effizient und gezielt von diesen Biomolekülen wieder entfernt werden kann, um den Ausgangszustand wieder herzustellen und nicht dauerhaft ein reichhaltiges Nährstoffangebot anzuzeigen, gibt es besondere Enzyme, die Deacetylasen.

Eine weitere wichtige Erkenntnis ist zudem, dass diese bakteriellen Enzyme auch in der Lage sind, neben der Acetylierung auch andere Acylierungen von der Aminosäure Lysin in Proteinen zu entfernen. Dieses sind allesamt Modifikationen, die den Stoffwechselzustand der Zellen anzeigen und zudem weitere Funktionen in Bakterien offenbaren könnten, wie eine Membranbindung von Proteinen in den Zellen. Während die Klasse der bakteriellen Zn2+-abhängigen Deacylasen in Eukaryoten wie Tieren und Pflanzen schon recht gut untersucht sind, gab es bisher keine systemischen Studien zu dieser Enzymklasse in Bakterien. Diese Lücke schließt nun die aktuelle Studie.

„In unserer Studie konnten wir insgesamt zwölf Proteinstrukturen als Repräsentanten der fünf Hauptgruppen dieser bakteriellen Enzyme aufklären. Zusammen mit Funktionsuntersuchungen zu den Aktivitäten und zur Hemmung dieser Enzyme haben wir damit einen sehr guten Überblick über die Struktur und Funktion der Enzyme in Bakterien erhalten“, erklärt die Doktorandin und Erstautorin der Studie Leonie Graf. Prof. Michael Lammers, Leiter der Gruppe Synthetische und strukturelle Biochemie, fügt hinzu: „Wir haben selbst nicht erwartet, dass wir so viele bisher nicht beschriebene Kandidaten dieser Enzymklasse in Bakterien finden. Dieses Projekt wird die Grundlage für viele weitere Studien sein, die zeigen werden, welche physiologischen Prozesse über diese Enzyme reguliert werden und ob wir diese Enzyme auch therapeutisch ansteuern können.“