Structural Data on the Periplasmic Aldehyde Oxidoreductase PaoABC from Escherichia coli: SAXS and Preliminary X-ray Crystallography Analysis

This work was financially supported by Fundacao para a Ciencia e Tecnologia (FCT-MCTES) through project PTDC/BIA-PRO/118377/2010, grants SFRH/BD/85806/2012 (ARC), SFRH/BPD/64917/2009 (MC), DAAD-441.00 and Deutsche Forschungsgemeinschaft Grant Le1171/6-1 (to SL). The access to the EMBL facilities was supported by the EU FP7 infrastructure grants P-Cube (Project Number 227764) and BioStruct-X (Project Number 283570).The periplasmic aldehyde oxidoreductase PaoABC from Escherichia coli is a molybdenum enzyme involved in detoxification of aldehydes in the cell. It is an example of an αβγ heterotrimeric enzyme of the xanthine oxidase family of enzymes which does not dimerize via its molybdenum cofactor binding domain. In order to structurally characterize PaoABC, X-ray crystallography and small angle X-ray scattering (SAXS) have been carried out. The protein crystallizes in the presence of 20% (w/v) polyethylene glycol 3350 using the hanging-drop vapour diffusion method. Although crystals were initially twinned, several experiments were done to overcome twinning and lowering the crystallization temperature (293 K to 277 K) was the solution to the problem. The non-twinned crystals used to solve the structure diffract X-rays to beyond 1.80 Å and belong to the C2 space group, with cell parameters a = 109.42 Å, b = 78.08 Å, c = 151.77 Å, β = 99.77°, and one molecule in the asymmetric unit. A molecular replacement solution was found for each subunit separately, using several proteins as search models. SAXS data of PaoABC were also collected showing that, in solution, the protein is also an αβγ heterotrimer.publishersversionpublishe

Charakterisierung der periplasmatischen Aldehyd-Oxidoreduktase (PaoABC) aus Escherichia coli

Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen Analysen zur Charakterisierung der periplasmatischen Aldehyd Oxidoreduktase aus E. coli. Kinetische Untersuchungen mit Ferricyanid als Elektronenakzeptor unter anaeroben Bedingungen zeigten für dieses Enzym eine höhere Aktivität als unter aeroben Bedingungen. Die getroffene Hypothese, dass PaoABC fähig ist Elektronen an molekularen Sauerstoff weiter zu geben, konnte bestätigt werden. Für den Umsatz aromatischer Aldehyde mit molekularem Sauerstoff wurde ein Optimum von pH 6,0 ermittelt. Dies steht im Gegensatz zur Reaktion mit Ferricyanid, mit welchem ein pH-Optimum von 4,0 gezeigt wurde. Die Reaktion von PaoABC mit molekularem Sauerstoff generiert zwar Wasserstoffperoxid, die Produktion von Superoxid konnte dagegen nicht beobachtet werden. Dass aerobe Bedingungen einen Einfluss auf das Auslösen der Expression von PaoABC haben, wurde in dieser Arbeit ebenfalls ermittelt. Im Zusammenhang mit der Produktion von ROS durch PaoABC wurde die Funktion eines kürzlich in Elektronentransfer-Distanz zum FAD identifizierten [4Fe4S]-Clusters untersucht. Ein Austausch der für die Bindung des Clusters zuständigen Cysteine führte zur Instabilität der Proteinvarianten, weswegen für diese keine weiteren Untersuchungen erfolgten. Daher wird zumindest ein struktur-stabilisierender Einfluss des [4Fe4S]-Clusters angenommen. Zur weiteren Untersuchung der Funktion dieses Clusters, wurde ein zwischen FAD und [4Fe4S]-Cluster lokalisiertes Arginin gegen ein Alanin ausgetauscht. Diese Proteinvariante zeigte eine reduzierte Geschwindigkeit der Reaktion gegenüber dem Wildtyp. Die Bildung von Superoxid konnte auch hier nicht beobachtet werden. Die Vermutung, dass dieser Cluster einen elektronen-sammelnden Mechanismus unterstützt, welcher die Radikalbildung verhindert, kann trotz allem nicht ausgeschlossen werden. Da im Umkreis des Arginins weitere geladene und aromatische Aminosäuren lokalisiert sind, können diese den notwendigen Elektronentransfer übernehmen. Neben der Ermittlung eines physiologischen Elektronenakzeptors und dessen Einfluss auf die Expression von PaoABC zeigt diese Arbeit auch, dass die Chaperone PaoD und MocA während der Reifung des MCD-Kofaktor eine gemeinsame Bindung an PaoABC realisieren. Es konnte im aktiven Zentrum von PaoABC ein Arginin beschrieben werden, welches auf Grund der engen Nachbarschaft zum MCD-Kofaktor und zum Glutamat (PaoABC-EC692) am Prozess der Substratbindung beteiligt ist. Im Zusammenhang mit dem Austausch dieses Arginins gegen ein Histidin oder ein Lysin wurden die Enzymspezifität und der Einfluss physiologischer Bedingungen, wie pH und Ionenstärke, auf die Reaktion des Enzyms untersucht. Gegenüber dem Wildtyp zeigten die Varianten mit molekularem Sauerstoff eine geringere Affinität zum Substrat aber auch eine höhere Geschwindigkeit der Reaktion. Vor allem für die Histidin-Variante konnte im gesamten pH-Bereich ein instabiles Verhalten bestimmt werden. Der Grund dafür wurde durch das Lösen der Struktur der Histidin-Variante beschreiben. Durch den Austausch der Aminosäuren entfällt die stabilisierende Wirkung der delokalisierten Elektronen des Arginins und es kommt zu einer Konformationsänderung im aktiven Zentrum. Neben der Reaktion von PaoABC mit einer Vielzahl aromatischer Aldehyde konnte auch der Umsatz von Salicylaldehyd zu Salicylsäure durch PaoABC in einer Farbreaktion bestimmt werden. Durch Ausschluss von molekularem Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor, in einer enzym-gekoppelten Reaktion, erfolgte ein Elektronentransport auf Ferrocencarboxylsäure. Die Kombination aus beiden Methoden ermöglichte eine Verwendung von Ferrocen-Derivaten zur Generierung einer enzym-gekoppelten Reaktion mit PaoABC. Die Untersuchungen zu PaoABC zeigen, dass die Vielfalt der durch das Enzym katalysierten Rektionen weitere Möglichkeiten der enzymatischen Bestimmung biokatalytischer Prozesse bietet

Electrical Wiring of the Aldehyde Oxidoreductase PaoABC with a Polymer Containing Osmium Redox Centers: Biosensors for Benzaldehyde and GABA

Biosensors for the detection of benzaldehyde and g-aminobutyric acid (GABA) are reported using aldehyde oxidoreductase PaoABC from Escherichia coli immobilized in a polymer containing bound low potential osmium redox complexes. The electrically connected enzyme already electrooxidizes benzaldehyde at potentials below −0.15 V (vs. Ag|AgCl, 1 M KCl). The pH-dependence of benzaldehyde oxidation can be strongly influenced by the ionic strength. The effect is similar with the soluble osmium redox complex and therefore indicates a clear electrostatic effect on the bioelectrocatalytic efficiency of PaoABC in the osmium containing redox polymer. At lower ionic strength, the pH-optimum is high and can be switched to low pH-values at high ionic strength. This offers biosensing at high and low pH-values. A “reagentless” biosensor has been formed with enzyme wired onto a screen-printed electrode in a flow cell device. The response time to addition of benzaldehyde is 30 s, and the measuring range is between 10–150 µM and the detection limit of 5 µM (signal to noise ratio 3:1) of benzaldehyde. The relative standard deviation in a series (n = 13) for 200 µM benzaldehyde is 1.9%. For the biosensor, a response to succinic semialdehyde was also identified. Based on this response and the ability to work at high pH a biosensor for GABA is proposed by coimmobilizing GABA-aminotransferase (GABA-T) and PaoABC in the osmium containing redox polymer

The Escherichia coli Periplasmic Aldehyde Oxidoreductase Is an Exceptional Member of the Xanthine Oxidase Family of Molybdoenzymes

The xanthine oxidase (XO) family comprises molybdenum-dependent enzymes that usually form homodimers (or dimers of heterodimers/trimers) organized in three domains that harbor two [2Fe-2S] clusters, one FAD, and a Mo cofactor. In this work, we crystallized an unusual member of the family, the periplasmic aldehyde oxidoreductase PaoABC from Escherichia coli. This is the first example of an E. coli protein containing a molybdopterin-cytosine-dinucleotide cofactor and is the only heterotrimer of the XO family so far structurally characterized. The crystal structure revealed the presence of an unexpected [4Fe-4S] cluster, anchored to an additional 40 residues subdomain. According to phylogenetic analysis, proteins containing this cluster are widely spread in many bacteria phyla, putatively through repeated gene transfer events. The active site of PaoABC is highly exposed to the surface with no aromatic residues and an arginine (PaoC-R440) making a direct interaction with PaoC-E692, which acts as a base catalyst. In order to understand the importance of R440, kinetic assays were carried out, and the crystal structure of the PaoC-R440H variant was also determined

Diffraction pattern of two different PaoD crystal forms.

<p>A. Crystal obtained with condition 1 where the protein was thawed in the presence of 0.4[C₄mim]Cl and ammonium sulphate was used as crystallization agent. B. Crystal obtained with condition 2 where the protein was thawed in the presence of 0.4 M [C₂OHmim]PF₆ and using PEG 4 K as crystallization agent. The resolution rings are represented in both images by dashed lines.</p

Purification and size exclusion chromatography of PaoD.

<p>(A) 12% SDS/PAGE of the purified protein after Ni-TED chromatography. (B) Size exclusion chromatography of PaoD. Freshly purified PaoD was analyzed by analytical size exclusion chromatography in 50 mM Tris-HCl, 300 mM NaCl, pH 8.0 using a Superdex 75 column. Inset: plot of the standard proteins. Size exclusion chromatography markers (Bio-Rad): gamma-globulin (158 kDa), ovalbumin (44 kDa), myoglobin (17 kDa), and vitamin B12 (1.3 kDa).</p

Data collection statistics for PaoD crystals. (Data in parenthesis correspond to the highest resolution shell.).

*<p></p>#<p></p

PaoD crystal (0.1×0.08×0.08 mm³) obtained with condition 2 (P3₁21).

<p>The protein was thawed in presence of 0.4 M of [C₂OHmim]PF₆. The crystallization condition was 12% PEG 4 K, 0.1 M Tris-HCl pH 8.5 and 10 mM cysteine. The same crystal morphology was obtained for the P6₁22 crystals grown from ammonium sulphate. The image was captured on the synchrotron beamline ID23-1 (ESRF, France).</p

Comparison between Z_average and polydispersity index for PaoD with differents additives and for the two IL, after 16 and 64* hours of incubation.

<p>(Data in parenthesis correspond to the polydispersity index).</p>§<p>Assays performed with buffer supplemented with 300 mM NaCl. The Tris-HCl pH 8.0 buffer was supplemented with 1 mM of EDTA.</p