Die meisten biologischen Spezies der Erde sind abhängig von isoprenoiden Chinonen, welche
in ihren Atmungsketten vorkommen. Bei Spezies in anaeroben Habitaten dominieren
Menachinon (MK) und dessen methylierte Derivate Methylmenachinon (MMK) und
Dimethylmenachinon (DMMK) als membrangebundene Redoxmediatoren. Gerade den
methylierten Menachinonen wird eine essentielle Rolle in Elektronentransportketten
zugeschrieben, die bei relativ negativen Standardredoxpotentialen operieren. Jedoch war die
genaue Struktur und die Biosynthese der methylierten Menachinone bis dato unklar. Diese
Arbeit beschreibt die Identifizierung und Charakterisierung neuartiger C-8 Menachinon-
Methyltransferasen, welche zur Klasse C der radikalischen SAM Methyltransferasen (RSMT)
gehören. Die Enzyme wurden MenK oder MqnK genannt, in Abhängigkeit davon welchen
MK-Biosyntheseweg die MMK-produzierenden Organismen nutzen. Die heterologe Produktion
der mqnK/menK-Gene aus Wolinella succinogenes, Adlercreutzia equolifaciens und
Shewanella oneidensis in Escherichia coli führte zu einer Produktion von 8-MMK8 bzw. dem
bisher nicht beschriebenen C-8 methylierten 2-Demethylmenachinon (8-MDMK8). Die Position
der Methylgruppen der isolierten Chinone wurde mithilfe zweidimensionaler NMR bestimmt,
und durch cyclovoltammetrische Messungen wurde für die methylierten Derivate ein
negativeres Redoxpotential gemessen als für Menachinon. Des Weiteren wurde im Genom des
DMMK-produzierenden Organismus A. equolifaciens ein weiteres menK-Homolog (menK2)
identifiziert. MenK2 wurde in E. coli sowie in W. succinogenes produziert, was zu einer
spezifischen Methylierung des Menachinons an Position C-7 führte. In Kombination mit dem
nativen MqnK wurde in W. succinogenes erfolgreich 7,8-DMMK6 produziert. Durch die
Charakterisierung von chimären Proteinen aus Teilen von MenK und MenK2 wurde der Teil
der Methyltransferasen, der für die ortsspezifische Methylierung entscheidend ist, eingegrenzt.
Die biochemische Charakterisierung der gereinigten C-8 Menachinon-Methyltransferase aus
A. equolifaciens (AeMenK) zeigte die Existenz eines sauerstoffsensiblen und redoxaktiven
[4Fe-4S]-Zentrums. Nach der Entwicklung eines Aktivitätstests wurden durch LC-MS basierte
Methoden und dem Einsatz von deuterierten Substraten zum einen die Stöchiometrie der
Produkte der Methylierungsreaktion bestimmt und zum anderen der Nachweis erbracht, dass
die Methylierung des nicht-nukleophilen Kohlenstoffatoms des Menachinons über einen
radikalischen Mechanismus erfolgt. Mithilfe dieser Erkenntnisse wurde der
Reaktionsmechanismus von AeMenK aufgeklärt. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben nicht
nur die Nutzung der MenK2- und MenK/MqnK-Enzyme als Biomarker zur Vorhersage der
MMK- und DMMK-Produktion, sondern erweitern auch das Verständnis über die Enzymologie
der Klasse C RSMT-Enzyme. Dieses Wissen ist essentiell, um zukünftige biotechnologische
Prozesse für die Methylierung von inerten Kohlenstoff- oder Phosphoratomen zu entwickeln
