Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe Prof. Dr. Unden

Das DcuS-DcuR Zwei-Komponenten-System von E. coli
(Pappalardo et al. 2003; Kneuper et al. 2005; Unden und Kleefeld 2004; Scheu et al. 2010)

Die membranständige Sensorkinase DcuS (dicarboxylate uptake sensor) besitzt eine peri-plasmatische Sensordomäne, Transmembran- und PASC-Domänen zur Signaltransduktion - und eine cytoplasmatische Kinasedomäne. Die Sensordomäne ist eine PAS-Domäne (PASP) und erkennt C4-Dicarbonsäuren spezifisch. Nach Bindung einer C4-Dicarbon-säure wird die cytoplasmatische Kinasedomäne aktiviert und an einem konservierten Histidin-rest phosphoryliert. Der Phosphatrest wird auf den Antwortregulator (DcuR) übertragen, der die Expression der zugehörigen Zielgene steuert.

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Ein Strukturmodell für die Funktion der membranständigen Sensorkinase DcuS
(Pappalardo et al. 2003; Etzkorn et al. 2008; Scheu et al. 2010)

Biochemische, molekulargenetische und strukturelle Untersuchungen liefern ein Modell für die Funktion von DcuS als membranständige Sensorkinase. Für die Sensordomäne (PASP), die Transmembranhelices und die cytoplasmatische Signaltransferdomäne (PASC) wurden Strukturen durch Festkörper-NMR bestimmt (Zusammenarbeit C. Griesinger und M. Baldus, MPI Göttingen). Das Modell demonstriert, wie Signalerkennung und Transfer des Signals zu der Kinasedomäne erfolgen können. Die Struktur der Kinasedomäne wurde durch Homologie-modellierung abgeleitet. Der Signaltransfer über die Membran scheint durch eine Bewegung der Transmembranhelix 2 zu erfolgen (‚Kolbenhub’).

Der Sauerstoffsensor NreB-NreC aus Staphylococcus carnosus
(Müllner et al. 2008; Reinhart et al. 2009)

Sauerstoff ist für Bakterien ein wichtiges und oft limitierendes Substrat. Viele Bakterien besitzen Sauerstoffsensoren, die eine empfindliche Messung des Sauerstoffs erlauben. Staphylococcus carnosus ist ein fakultativ anaerobes Bakterium, das in der Reifung von Rohwurst (Salami) eine Rolle spielt. Sauerstoff reguliert die Ausprägung der Nitratatmung von S. carnosus. Der Sauerstoffsensor NreB (Nitratreduktase Regulator B) ist Teil eines Zwei-Komponenten Systems. NreB trägt in der Sensordomäne ein Sauerstoff-labiles [4Fe-4S]2+-Zentrum. Unter aeroben Bedingungen diffundiert Sauerstoff in die Zelle. Dies führt zum Abbau des FeS-Zentrum in zwei Schritten und zur Inaktivierung der Sensortkinase.

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Transporter des fakultativ anaeroben Stoffwechsels für (Di-)Carbonsäuren (Janausch et al. 2002; Unden & Kleefeld 2004; Scheu et al. 2010)

Dicarbonsäuren wie Fumarat, Malat oder Succinat werden in fakultativ anaeroben Bakterien unter aeroben und anaeroben Bedingungen unterschiedlich metabolisiert. E. coli bildet unter aeroben und anaeroben Bedingungen Transporter für C4-Dicarbonsäuren mit speziellen Transporteigenschaften. So werden im aeroben Stoffwechsel Transporter für die Aufnahme der Substrate benötigt (Transporter DctA), im anaeroben Stoffwechsel dagegen Antiporter und Effluxcarrier (DcuB, DcuC, TtdT).

Der Fumarat/Succinat-Antiporter DcuB: Membrantopologie und Regulationsdomäne
(Kleefeld et al. 2009; Bauer et al. 2011)

Einige Transporter besitzen neben der Transport- eine regulatorische Funktion. Diese Transporter weisen eine eigenständige Sensordomäne auf, die funktionell unabhängig von der Transportdomäne ist. DcuB ist Cosensor von DcuS. In Abwesenheit von Fumarat oder Succinat ist DcuB als Transporter ohne Funktion und hemmt den Sensor DcuS. Mutationen in der Sensordomäne beeinflussen die Funktion des Sensors DcuS, nicht aber die Transporteigenschaften von DcuB.

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Menachinon-abhängige Succinatdehydrogenase: ein reverses Redox-Loop-Enzym
(Schirawski & Unden 1998; Madej et al. 2006; Dünnwald and Unden, 2008)

Die Succinatdehydrogenase (SDH) Gram-positiver und anaerober Bakterien verwendet Mena-chinon MK (E0 = - 80 mV) als Elektronenakzeptor zur Oxidation des Succinat (E0 =+30 mV). Die Reaktion des MK-abhängigen Enzyms ist im Gegensatz zu der Ubichinon -abhängigen SDH endergon. Die Reaktion schließt einen transmembranen Elektronentransfer ein, wodurch diese elektrogen wird: Der Verbrauch der Protonen zur Reduktion des MK erfolgt auf der positiven Außenseite der Membran, die Freisetzung der Protonen bei der Reduktion des Succinat im Cytoplasma. Dieser Redox-loop verbraucht Δp (reverser Redox-loop) im Gegensatz zu Δp-aufbauenden Redox-loop von Enzymen wie der Formiatdehydrogenase von E. coli.

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