Gelbe Pigmente schützen Bakterien

Bakterien schützen sich gegen den Angriff freier Radikale mithilfe bestimmter Naturstoffe, die sie in ihrer Membran tragen. Arbeitsgruppen der Technischen Universität München (TUM) und der Goethe Universität in Frankfurt haben nun die Biosynthese der sogenannten Arylpolyene entschlüsselt, den am weitesten verbreiteten Schutzpigmenten.

Struktur des ApeI-ApeP-Enzymkomplexes, der wesentlich am Aufbau der Arylpolyen-Pigmente beteiligt ist. (Bild: Maximilian Schmalhofer / TUM)

Arylpolyene sind gelbe Farbstoffe, die von vielen Bakterien-Arten produziert werden. Eingelagert in die Membran der Bakterien dienen sie als Schutz vor oxidativem Stress genauer gesagt vor reaktiven Sauerstoff-Spezies.

Da letztere die Zellen schädigen, versuchen Bakterien ihr Eintreten durch die Membran zu verhindern. Es war bereits bekannt, welche Proteine für die Bildung der Arylpolyene verantwortlich sind, unklar war allerdings, wie die gelben Pigmente genau erzeugt werden.

Biosyntheseweg ähnelt Fettsäureaufbau

Zusammen mit den Arbeitsgruppen von Prof. Helge Bode und Juniorprofessorin Nina Morgner von der Goethe Universität in Frankfurt konnten Biochemiker um Prof. Michael Groll von der TUM die Biosynthese der Arylpolyene im Reagenzglas nachstellen und so die Funktion einzelner Proteine aufklären.

Aufbau bakterieller Arylpolyen-Schutzpigmente. (Bild: Maximilian Schmalhofer / TUM)

„Arylpolyene haben ähnliche anti-oxidative Eigenschaften wie Carotinoide, werden aber komplett anders hergestellt“, erläutert Gina Grammbitter von der Goethe Universität in Frankfurt, die im Rahmen ihrer Doktorarbeit das System untersucht.

„Ihre Biosynthese ähnelt stark der Bildung von Fettsäuren, weist aber auch Unterschiede dazu auf“, ergänzt Nina Morgner. „Zusammen mit der Arbeitsgruppe von Michael Groll konnten wir ungewöhnliche Komplexe der beteiligten Proteine identifizieren und ihre Struktur bestimmen.“

Gelbe Pigmente als Teil eines größeren Naturstoffs

Die Arylpolyene werden über einen neuartigen Biosyntheseweg hergestellt und sind direkt in der Membran der Bakterien lokalisiert. Allerdings sind sie nur ein Teil eines deutlich größeren Naturstoffs.

Daher soll in zukünftigen Arbeiten das Zusammenwirken der einzelnen Enzyme untersucht und die Rolle der Arylpolyene beispielsweise im Mikrobiom des Menschen erforscht werden. Zudem könnten Arylpolyene aufgrund ihrer anti-oxidativen Eigenschaften für die Kosmetikindustrie von Interesse sein.

Publikation:

Gina L. C. Grammbitter, Maximilian Schmalhofer, Kudratullah Karimi, Yi-Ming Shi, Tim A. Schöner, Nicholas J. Tobias, Nina Morgner, Michael Groll, Helge B. Bode: An Uncommon Type II PKS Catalyzes Biosynthesis of Aryl Polyene Pigments J Am Chem Soc. 2019 Mar 25 – DOI: 10.1021/jacs.8b10776

Mehr Informationen:

Die Arbeiten wurden gefördert durch das European Research Council (ERC), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB749 und des Exzellenzclusters Macromolecular Complexes sowie durch das Bundesland Hessen. Die Röntgenstruktur-Experimente wurden an der Schweizer Synchrotron Lichtquelle des Paul Scherrer Instituts (Villigen, Schweiz) durchgeführt.