Charakterisierung anzestraler Enzyme
Wir betreiben molekulare Paläontologie, um die Aminosäuresequenzen von Proteinen ausgestorbener Arten rechnerisch zu ermitteln.
Im Anschluss an eine solche Ahnensequenzrekonstruktion (ASR) werden die entsprechenden Ur-Enzyme hergestellt und experimentell charakterisiert.
In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Rainer Merkl (Biochemie II, Universität Regensburg) haben wir ASR angewandt, um ein einzelnes Enzym und einen Enzymkomplex aus dem letzten universellen gemeinsamen Vorfahren aller Organismen (LUCA) oder dem letzten universellen gemeinsamen Vorfahren aller Bakterien (LBCA) zu charakterisieren.
Diese Vorläuferproteine waren hoch thermostabil und katalytisch aktiv, was darauf hindeutet, dass bereits vor 3,5 Milliarden Jahren hoch entwickelte Enzyme und Enzymkomplexe existierten.
Wir haben ASR auch verwendet, um Aminosäuren zu identifizieren, die für die funktionellen Eigenschaften verschiedener Enzyme entscheidend sind.
Evolutionäre Beziehung zwischen Primär- und Sekundärstoffwechsel
Es wird allgemein angenommen, dass sich Enzyme des Sekundärstoffwechsels aus Enzymen des Primärstoffwechsels entwickelt haben.
Wir haben diese Hypothese anhand der chorismatverwertenden Enzyme Anthranilat-Synthase (AS) aus dem Primärstoffwechsel und Isochorismat-Synthase (ICS) aus dem Sekundärstoffwechsel getestet.
Beide Enzyme katalysieren mechanistisch verwandte Reaktionen unter Verwendung von Ammoniak bzw. Wasser als Nukleophil.
Wir haben herausgefunden, dass die Nukleophilspezifität von AS durch den Austausch von nur zwei Aminosäuren in einem Kanal, der zum aktiven Zentrum führt, von Ammoniak auf Wasser erweitert werden kann.
Die beobachtete ICS/AS-Bifunktionalität zeigt, dass sich ein sekundäres Stoffwechselenzym ohne weiteres aus einem primären Stoffwechselenzym entwickeln kann, ohne dass eine anfängliche Genduplikation erforderlich ist.
Wir haben einen ähnliche Ansatz verwendet, um die Evolution eines Atrazin-abbauenden Enzyms aus einem Vorläufer mit (Dimethyl-)Guanindeaminaseaktivität zu rekonstruieren.