Enzymology of the periplasmic pyoverdine maturation

Abstract

Iron is of prominent importance for most living organisms, involved in many central processes, such as respiration or photosynthesis. To circumvent iron limitation, many organisms have developed strategies to keep ferric iron soluble, for instance by production of siderophores, which are small high-affinity iron-chelators. A remarkable example in this context are pyoverdines, being produced by the fluorescent pseudomonads, a very diverse group of organisms. Pyoverdine research has a long and illustrious history and was first described in 1892. From this time on, scientists were faced with elementary questions of chemistry and biology that could only be unraveled by a rewarding interplay of disciplines. However, a number of questions remained unresolved that are now addressed in this thesis. Specifically, the acylated ferribactin precursor, generated by non-ribosomal synthesis in the cytoplasm, is exported to the periplasm and there subject to a number of tailoring reactions performed by PvdMNOPQ to form the mature siderophore. However, only the functions of PvdP and PvdQ were known. In this thesis, it was discovered that PvdN is an unusual pyridoxal phosphate-containing enzyme, catalyzing a novel oxidative decarboxylation under retention of the amine involved in the side-chain modification of pyoverdine. Furthermore, the enzyme PtaA was determined to catalyze a transamination-reaction converting a glutamic acid- into an α ketoglutaric acid side-chain. The relevance of these side-chain modifications remains obscure although further investigations indicate a role in pyoverdine export by PvdRT-OpmQ. Moreover, PvdO is required for the completion of the oxidative cyclization reactions in conjunction with PvdP, forming the characteristic chromophore of pyoverdine. Finally, PvdM could be postulated to function as a membrane-associated peptidase involved in the pyoverdine signaling-pathway.

Eisen ist von herausragender Bedeutung für die meisten lebenden Organismen und ist an vielen zentralen Prozessen, wie Atmung und Photosynthese, beteiligt. Um Eisenlimitation zu verhindern haben viele Organismen Strategien entwickelt um Fe(III) in Lösung zu halten z.B. durch die Produktion von Siderophoren, kleinen hochaffinen Eisenchelatoren. Ein in diesem Kontext bemerkenswertes Beispiel sind die Pyoverdine, welche durch fluoreszierende Pseudomonaden, einer heterogenen Gruppe an Organismen, gebildet werden. Pyoverdinforschung hat eine lange und illustre Geschichte, beginnend im Jahr 1892 mit der Erstbeschreibung. Pyoverdine haben seitdem Wissenschaftler vor elementare Fragen der Chemie sowie der Biologie gestellt, die nur durch die außergewöhnliche Zusammenarbeit von verschiedenen Disziplinen enträtselt werden konnten. Viele Fragen blieben allerdings unbeantwortet, welche Thema dieser Arbeit sind. Insbesondere wird der akylierte Ferribactin-Vorläufer, welcher im Zytoplasma durch nicht-ribosomale Peptidsynthese generiert wird, in das Periplasma exportiert, wo er durch eine Reihe von Modifikationen – ausgeführt von PvdMNOPQ – in das fertige Siderophor umgewandelt wird. Bislang waren nur die Funktionen von PvdP und PvdQ bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde entdeckt, dass PvdN ein ungewöhnliches Pyridoxalphosphat enthaltendes Enzym ist, welches eine neuartige oxidative Decarboxylierung unter Retention des Amins katalysiert, die an einer Seitenkettenmodifikation beteiligt ist. Des Weiteren wurde festgestellt, dass das Enzym PtaA eine Transaminierung katalysiert und dadurch einen Glutaminsäure- in einen α-Ketoglutarsäurerest überführt. Die Relevanz der Seitenkettenmodifikationen bleibt obskur, jedoch zeigten weitere Untersuchungen eine mögliche Rolle im Export durch PvdRT-OpmQ auf. Ferner konnte gezeigt werden, dass PvdO in Verbindung mit PvdP für die Vervollständigung der oxidativen Zyklisierung zur Bildung des charakteristischen Chromophors vonnöten ist. Schlussendlich konnte für PvdM eine Funktion als membranassoziierte Peptidase, welche an der Pyoverdin-Signalkaskade beteiligt sein könnte, vorhergesagt werden.