Bacterial cell wall recycling in molecular detail

Abstract

In dieser Arbeit werden die per Röntgenkristallstrukturanalyse in submolekularer Auflösung bestimmten Strukturen zweier Enzyme, MurU aus P.putida und MurQ aus B.subtilis, präsentiert. Beide Enzyme sind an der Zellwandsynthese, genauer an der metabolischen Wiederverwertung von Zellwandkataboliten, im jeweiligen Organismus beteiligt. Von der Nucleotidyltransferase MurU wurden, neben der nativen, außerdem zwei Strukturen mit im aktiven Zentrum koordinierten Substrat (-analoga) veröffentlicht. Die Analyse dieser Strukturen erlaubt die Identifikation katalytisch relevanter Aminosäuren und Cofaktoren und deckt strukturelle Unterschiede zu anderen, verwandten Nucleotidyltransferasen auf. Darüber hinaus eignen sich die in dieser Arbeit präsentierten Resultate als strukturelle Basis für die hypothetische Formulierung eines katalytischen Mechanismus, und konnten außerdem einen Ausgangspunkt für eine strukturelle Erklärung der strikten Substratspezifität von MurU für MurNAc-α1P bieten. Durch die aktuelle Wiederentdeckung des Antibiotikums Fosfomycin für die Antibiotika Kombinationstherapie im Kampf gegen multiresistente Bakterien, offenbarte sich die intrinsische Fosfomycin Resistenz vieler Bakterien als erhebliches klinisches Problem (Michalopoulos et al., 2011). MurU ist an einem Stoffwechselweg beteiligt, welcher die metabolische Wiederverwertung von Zellwandkataboliten unabhängig macht von dem durch Fosfomycin gehemmten Enzym und trägt daher entscheidend zu einer intrinsischen Fosfomycin Resistenz bei. Dieser Zusammenhang macht die Entwicklung eines spezifischen Inhibitors für MurU zu einem sehr erstrebenswerten Ziel. In diesem Zusammenhang konnte, aufgrund der strikten Spezifität von MurU für sein Zucker-Substrat, dessen Bindungstasche für MurNAc-α1P ein vielversprechendes Zielobjekt für die Struktur basierte Entwicklung eines MurU-spezifischen Inhibitors darstellen. Die Struktur der Etherase MurQ zeigt sehr anschaulich, wie ihre beiden aktiven Zentren an der Dimer-Grenzfläche unter Beteiligung jeweils beider Monomere gebildet werden. Durch die Analyse der aktiven Zentren kann außerdem sehr anschaulich bestätigt werden, dass die beiden Glutamate E87 und E118 für die Enzymaktivitat relevant sein müssen, wie bereits in Mutations-Studien gezeigt werden konnte. Aufgrund eines strukturellen Vergleichs der in dieser Arbeit präsentierten Struktur von MurQ aus dem Gram>positiven Organismus B.subtilis mit der im gleichen Zeitraum publizierten Struktur von MurQ aus Gram>negativen Organismus H.influenzae ((Hadi!et!al., 2013)), erscheint außerdem eine gegenseitige allosterische Beeinflussung der beiden aktiven Zentren denkbar. Dies wurde gleichzeitig einen Ausgangpunkt für die Formulierung einer Theorie zur Regulation von MurQ liefern. In diesem Zusammenhang ist die Datenlage zum momentanen Zeitpunkt allerdings bei weitem nicht ausreichend. Zusammenfassend betrachtet tragen die in dieser Arbeit analysierten Strukturen von MurU und MurQ zu einem generellen Verständnis der bakteriellen Wiederverwertung von Zellwandkataboliten auf molekularer Ebene bei. Dabei ergeben sich aus beiden Strukturen Einblicke in den katalytischen Mechanismus des jeweiligen Enzyms. Außerdem bringen beide Projekte neue Aspekte in den Focus des Interesses, welche gegebenenfalls weitere Forschungen auf dem Gebiet der bakteriellen Wiederverwertung von Zellwandkataboliten stimulieren. Insbesondere die Strukturen der Enzym-Substrat Komplexe von MurU könnten sich in diesen Zusammenhang als strukturelle Basis in der pharmazeutischen Forschung erweisen.