Enzymmaschinerie für bakteriellen Glucosidmetabolismus über einen konservierten nicht‐hydrolytischen Abbauweg

Flexible Substrataufnahme aus Nährstoffreservoirs ist für Mikroorganismen entscheidend, um sich in kompetitiven natürlichen Umgebungen durchzusetzen. Zur Aufnahme von Glucose aus verschiedenen Glucosid‐ und Disaccharid‐Substraten haben viele frei‐ und symbiotisch lebende Bakterien, neben der Hydrolyse, einen nicht‐hydrolytischen Stoffwechselweg entwickelt. Dieser besteht aus vier biochemischen Schritten und wird von einem distinkten Genlocus (glycoside utilization locus, GUL) codiert. Mechanistisch integriert der Stoffwechselweg die Oxidation und Reduktion am Glucosyl/Glucose‐C3 mit der eliminativen Spaltung der glycosidischen Bindung und der Addition von Wasser an das Eliminationsprodukt in zwei aufeinanderfolgenden, von Lyasen katalysierten Reaktionen. In dieser Studie zeigen wir, basierend auf der Untersuchung von Enzymen des Pflanzenpathogens Agrobacterium tumefaciens, ein konserviertes Aktivitätszentrum in beiden Lyasen, welches um ein zentrales Mn2+ Metallion angeordnet ist. Weiters identifizieren wir die strukturellen Voraussetzungen für die spezifische Katalyse der 3‐Ketoglucosid Eliminierung zu 2‐Hydroxy‐3‐ketoglycal und der Hydratisierung des Glycal zu 3‐Ketoglucose. Die Erweiterung unserer Suche nach GUL‐codierten putativen Lyasen auf das menschliche darmkommensale Bakterium Bacteroides thetaiotaomicron führte uns zur Entdeckung eines Ca2+‐koordinierten Aktivitätszentrums in einem Glycosidase‐ähnlichen Protein. Das Enzym katalysiert die eliminative Spaltung von 3‐Ketoglucosiden entgegengesetzter (α) anomerer Konfiguration im Vergleich zu den von der A. tumefaciens Lyase präferierten Substraten (β). Strukturelle und biochemische Vergleiche zeigen die molekular‐mechanistische Basis der Stereokomplementarität der beiden 3‐Ketoglucosid Lyasen. Unsere Ergebnisse identifizieren ein grundlegendes Set von GUL‐codierten Lyasen für den Glucosidmetabolismus und erlauben es, der Gendiversität von GULs in der Domäne von Bakterien physiologische Bedeutung zuzuschreiben. Ein nicht‐hydrolytischer Stoffwechselweg von Glucosiden in vier Schritten ist in Bakterien weit verbreitet und wird von einem distinkten genomischen Locus (GUL) codiert. Der GUL Pfad involviert Lyasen mit konservierten Metallzentren, die mit breiter Spezifität C3‐oxidierte Glucoside spalten und das resultierende Glycal hydratisieren. Strukturelle und mechanistische Grundlagen der Lyasen werden präsentiert und die GUL Diversität in Bakterien exploriert.