Uralte Bakterienlinien scheinen selbst unter äußerst kargen Bedingungen und mit chemischen Energieträgern geringer Qualität gedeihen zu können. Diese bemerkenswerte metabolische „Superkraft" lässt sich teilweise durch eine biochemische Strategie erklären, die als Elektronentransfer-Bifurkation („Bifurkation") bezeichnet wird. Wir möchten verstehen, wie dieser Prozess funktioniert. Langfristig könnte dies dazu beitragen, die reichlich verfügbaren, aber energiearmen Ressourcen der Menschheit - etwa Strom aus Solar- und Windenergie - in energiereichere Formen umzuwandeln und so fossile Brennstoffe zu ersetzen.
Bifurkierende Elektronentransfer-Flavoproteine (bETFs) ermöglichen die Bifurkation mithilfe von zwei im Protein gebundenen Flavinen und im Zusammenspiel mit zwei Partnerproteinen. Flavine - beispielsweise Vitamin B2 - sind ungiftige, vollständig erneuerbare Elektronenträger. Daher sind sie äußerst attraktive Katalysatoren. Wir möchten herausfinden, wie das bETF-Protein sie für ihre jeweiligen Aufgaben aktiviert.
Entscheidend ist: Obwohl bETF zwei Moleküle Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) enthält, zeigen diese sehr unterschiedliche chemische Reaktivitäten. Der Begriff „Flavin" bezeichnet dabei den chemisch reaktiven Teil des FAD. Da die beiden FAD-Moleküle chemisch identisch sind, müssen ihre unterschiedlichen Reaktivitäten auf unterschiedliche Wechselwirkungen mit dem Protein an ihren jeweiligen Bindungsstellen zurückzuführen sein.
Das FAD, das die Bifurkation ausführt, wird als bifurkierendes Flavin (Bf-Flavin) bezeichnet. Das andere FAD leitet Elektronen vom bifurkierenden Flavin an die Partnerproteine weiter und heißt Elektronentransfer-Flavin (ET-Flavin). Die Fähigkeit des ET-Flavins, Elektronen einzeln zu übertragen, ist unter Flavoproteinen ungewöhnlich. Sie beruht auf einer hochentwickelten Regulierung der Energien der übertragenen Elektronen.
Im Rahmen unserer durch den EVF geförderten Forschung nutzten wir quantenchemische Berechnungen, um die Wechselwirkungen jedes der beiden Flavine mit dem Protein zu charakterisieren. Wir schlugen eine Erklärung dafür vor, warum das ET-Flavin Elektronen einzeln übertragen kann, das Bf-Flavin hingegen nicht. Tatsächlich zeigte ein weiteres Mitglied der Miller-Gruppe bei der experimentellen Überprüfung der rechnerisch identifizierten Wechselwirkung, dass deren Entfernung die Einzelelektronen-Aktivität des ET-Flavins verringerte.
Darüber hinaus setzten wir weitere computergestützte Methoden ein, um großräumige molekulare Bewegungen zu simulieren, die vermutlich Teil des katalytischen Zyklus von bETF sind. Das gesamte Protein lässt sich mit einer Tasse auf einer Untertasse vergleichen: In der einen Hälfte des katalytischen Zyklus muss die Tasse aufrecht stehen, in der anderen umgedreht auf der Untertasse liegen. Da das Protein über keine äußere „Hand" verfügt, die die Tasse umdrehen könnte, untersuchten wir mithilfe von Berechnungen, ob die „Tasse" - oder Kopfdomäne - hin und her rollen kann, allerdings nur um 80° und nicht um vollständige 180°.
Wir überprüften außerdem verbreitete Hypothesen darüber, welcher Auslöser die Rotation der Kopfdomäne in Gang setzt. Unsere Berechnungen ergaben, dass die Aufnahme von Elektronen durch das ET-Flavin diese Rotation nicht auslöst. Das Vorhandensein eines gebundenen Moleküls, das Elektronen liefert, kann dies jedoch bewirken. Wenn sich dieses Elektronen liefernde Molekül in der Nähe von Bf-FAD bindet, zeigen unsere Berechnungen neue Proteinstrukturen, die in dessen Abwesenheit nicht häufig auftreten. Auf diese Weise gewinnen wir ein besseres Verständnis davon, wie die Wechselwirkungen und Bewegungen des Proteins die Reaktivitäten der an der Bifurkation beteiligten Flavine steuern - und es selbst einfachen Bakterien ermöglichen, bemerkenswerte Leistungen zu vollbringen.
(Übersetzt aus dem englischen Original)