Celebrating Achim Trebst’s 80th birthday

At the invitation of Govindjee, we reprint here the English translation of the letter, in German, that we sent, on behalf of the Senate and the Presidium as well as the members of the German Academy of Sciences Leopoldina, from Halle (Saale), to Professor Dr. Dr. h.c.mult. Achim Trebst on his 80th birthday. The original of this letter written in German will appear in Jahrbuch 2009, Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina, Halle (Saale), Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart

Tetrahydrofolat-spezifische Enzyme im Baustoffwechsel von Methanosarcina barkeri sowie die Rolle von Folsäure und p-Aminobenzoesäure als Wachstumsfaktoren in diesem Archaeon

Tetrahydrofolat (H4F) spielt als Überträger von C1-Einheiten im Baustoffwechsel von allen Bacteria und Eucarya und von einigen Archaea eine wichtige Rolle in der Synthese von C1-Einheiten enthaltenden Verbindungen wie Purine, Thymidin und Methionin. Im Baustoffwechsel von methanogenen Archaea, die alle kein H4F enthalten sollen, wird H4F durch Tetrahydromethanopterin (H4MPT) ersetzt, das ein strukturelles Analogon von H4F ist, und das als C1-Überträger essentiell an der Methanbildung aus CO2 oder Acetat beteiligt ist. Nur im Baustoffwechsel von Archaea der Ordnung Methanosarcinales scheint H4MPT nicht an der Synthese von Purinen, Thymidin und Methionin beteiligt zu sein, was aus 13C-Markierungsexperimenten hervorgeht und die Frage aufwirft, ob diese Organismen neben H4MPT nicht doch noch zusätzlich H4F besitzen. Diese Frage zu beantworten, war das Ziel der vorliegenden Arbeit. Die Versuche wurden mit dem Organismus Methanosarcina barkeri durchgeführt, der Tetrahydrosarcinapterin (H4SPT) an Stelle von H4MPT enthält. H4SPT wird aus H4MPT durch Anfügen eines Glutamatrestes synthetisiert, der ohne Einfluss auf die Aktivität von diesem Coenzym ist. Im Genom von Methanosarcina barkeri, M. acetivorans, M. thermophila und M. mazei wurden Gene gefunden, die für folgende H4F-spezifische Enzyme kodieren könnten: Serin-Hydroxymethyltransferase (GlyA), Methylen-H4F-Dehydrogenase/Methenyl-H4F-Cyclohydrolase (FolD), Methylen-H4F-Reduktase (MetF), Phosphoribosylglycinamid-Formyltransferase (PurN) und Phosphoribosylaminoimidazolcarboxamid-Formyltransferase (PurH). Diese Gene wurden mit Ausnahme von glyA in den Genomen von Methanothermobacter thermoautotrophicus, Methanococcus jannaschii, Methanococcus maripaludis und Methanopyrus kandleri nicht gefunden. Es gelang, zwei dieser Gene aus M. barkeri, folD und glyA, heterolog in E. coli ohne Bildung von „Inclusion Bodies“ zu exprimieren. Die rekombinanten aktiven Enzyme wurden charakterisiert und polyklonale Antikörper zum Nachweis der Proteine in M. barkeri produziert. Das Gen folD kodierte für eine bifunktionelle Methylen-H4F-Dehydrogenase/Methenyl-H4F-Cyclohydrolase, die sowohl die Oxidation von Methylen-H4F mit NAD+ zu Methenyl-H4F+ und NADH als auch die Hydrolyse von Methenyl-H4F+ zu N10-Formyl-H4F katalysiert. Beide Aktivitäten waren strikt H4F-spezifisch. Das Gen glyA kodierte für Serin-Hydroxymethyltransferase, die in Gegenwart von H4F die Spaltung von L-Serin zu Glycin unter Bildung von Methylen-H4F katalysierte. H4F war in der Reaktion durch H4MPT ersetzbar, wobei die Aktivität allerdings weniger als 1% gegenüber der Aktivität mit H4F betrug. Die apparenten Km-Werte für Methylen-H4F (FolD) und (6S)-H4F (GlyA) lagen unter 5 µM. Die Genprodukte von folD und glyA konnten in Zellextrakten von M. barkeri mittels Western-Blot-Analysen und Aktivitätsmessungen nachgewiesen werden. Ein Hinweis für das Vorkommen von H4F in M. barkeri wurde indirekt durch Wachstumsversuche erhalten: Es wurde gefunden, dass das Wachstum des Archaeons von Folsäure (200 nM) oder p-Aminobenzoesäure (20 nM) im Medium abhängig ist und durch Sulfanilamid (2 mM) gehemmt wird. Unter p-Aminobenzoesäure-limitierenden Wachstumsbedingungen waren ca. 2 nmol p-Aminobenzoesäure für die Bildung von 1 g Zellen (Feuchtmasse) nötig, woraus sich eine intrazelluläre H4F-Konzentration von 5 µM abschätzen ließ unter der Annahme, dass p-Aminobenzoesäure ausschließlich für die Biosynthese von H4F verwendet wurde. Die intrazelluläre H4SPT-Konzentration von M. barkeri wurde zu 3 mM bestimmt und es wurde gefunden, dass sie unabhängig von der p-Aminobenzoesäure-Konzentration im Wachstumsmedium war. Die Daten deuten darauf hin, dass M. barkeri bei Wachstum unter p-Aminobenzoesäure-limitierenden Bedingungen freie p-Aminobenzoesäure nicht für die H4SPT-Synthese verwenden kann, was bestehender Literatur widerspricht. Dies wurde unabhängig durch Versuche bestätigt, bei denen die Aufnahme von [Carboxyl-14C]-p-Aminobenzoesäure in die Zellen verfolgt wurde. Unter den experimentellen Bedingungen wurden maximal 0,4% des H4SPT aus der vom Medium aufgenommenen p-Aminobenzoesäure synthetisiert, was über den Radioaktivitätsverlust durch Decarboxylierung während des Einbaus von p-Aminobenzoesäure in H4SPT ermittelt wurde. Darüber hinaus wurden Versuche zur Substratspezifität der Serin-Hydroxymethyltransferase von Methanococcus jannaschii durchgeführt, die zeigten, dass dieses Enzym H4MPT-spezifisch ist. Die Publikation zu diesen Ergebnissen befindet sich im Anhang

An ancient pathway combining carbon dioxide fixation with the generation and utilization of a sodium ion gradient for ATP synthesis

Synthesis of acetate from carbon dioxide and molecular hydrogen is considered to be the first carbon assimilation pathway on earth. It combines carbon dioxide fixation into acetyl-CoA with the production of ATP via an energized cell membrane. How the pathway is coupled with the net synthesis of ATP has been an enigma. The anaerobic, acetogenic bacterium Acetobacterium woodii uses an ancient version of this pathway without cytochromes and quinones. It generates a sodium ion potential across the cell membrane by the sodium-motive ferredoxin:NAD oxidoreductase (Rnf). The genome sequence of A. woodii solves the enigma: it uncovers Rnf as the only ion-motive enzyme coupled to the pathway and unravels a metabolism designed to produce reduced ferredoxin and overcome energetic barriers by virtue of electron-bifurcating, soluble enzymes

Frontiers, Opportunities, and Challenges in Biochemical and Chemical Catalysis of CO_2 Fixation

Two major energy-related problems confront the world in the next 50 years. First, increased worldwide competition for gradually depleting fossil fuel reserves (derived from past photosynthesis) will lead to higher costs, both monetarily and politically. Second, atmospheric CO_2 levels are at their highest recorded level since records began. Further increases are predicted to produce large and uncontrollable impacts on the world climate. These projected impacts extend beyond climate to ocean acidification, because the ocean is a major sink for atmospheric CO2.1 Providing a future energy supply that is secure and CO_2-neutral will require switching to nonfossil energy sources such as wind, solar, nuclear, and geothermal energy and developing methods for transforming the energy produced by these new sources into forms that can be stored, transported, and used upon demand

The exchange activities of [Fe] hydrogenase (iron–sulfur-cluster-free hydrogenase) from methanogenic archaea in comparison with the exchange activities of [FeFe] and [NiFe] hydrogenases

[Fe] hydrogenase (iron–sulfur-cluster-free hydrogenase) catalyzes the reversible reduction of methenyltetrahydromethanopterin (methenyl-H4MPT+) with H2 to methylene-H4MPT, a reaction involved in methanogenesis from H2 and CO2 in many methanogenic archaea. The enzyme harbors an iron-containing cofactor, in which a low-spin iron is complexed by a pyridone, two CO and a cysteine sulfur. [Fe] hydrogenase is thus similar to [NiFe] and [FeFe] hydrogenases, in which a low-spin iron carbonyl complex, albeit in a dinuclear metal center, is also involved in H2 activation. Like the [NiFe] and [FeFe] hydrogenases, [Fe] hydrogenase catalyzes an active exchange of H2 with protons of water; however, this activity is dependent on the presence of the hydride-accepting methenyl-H4MPT+. In its absence the exchange activity is only 0.01% of that in its presence. The residual activity has been attributed to the presence of traces of methenyl-H4MPT+ in the enzyme preparations, but it could also reflect a weak binding of H2 to the iron in the absence of methenyl-H4MPT+. To test this we reinvestigated the exchange activity with [Fe] hydrogenase reconstituted from apoprotein heterologously produced in Escherichia coli and highly purified iron-containing cofactor and found that in the absence of added methenyl-H4MPT+ the exchange activity was below the detection limit of the tritium method employed (0.1 nmol min−1 mg−1). The finding reiterates that for H2 activation by [Fe] hydrogenase the presence of the hydride-accepting methenyl-H4MPT+ is essentially required. This differentiates [Fe] hydrogenase from [FeFe] and [NiFe] hydrogenases, which actively catalyze H2/H2O exchange in the absence of exogenous electron acceptors