Der Komplex aus Kohlenmonoxid-Dehydrogenase und Acetyl-CoA-Synthase (CODH/ACS Komplex) des thermophilen Bakteriums Carboxydothermus hydrogenoformans katalysiert die Fixierung von CO2 in Acetyl-CoA und ist damit ein potenzieller Katalysator für die Erzeugung erneuerbarer Kraftstoffe aus CO2. Die Katalyse erfolgt an zwei verschiedenen Stellen: CO2 wird am Cluster C in der CODH-Untereinheit zu CO reduziert, das dann durch einen Tunnel innerhalb des Proteins zum Cluster A in der ACS-Untereinheit wandert, wo es mit einer Methylgruppe und CoA zu Acetyl-CoA reagiert. Die Art und Weise, wie die beiden katalytischen Aktivitäten zusammenwirken, sind noch unklar. Um hier mehr Licht ins Dunkel zu bringen, verfolgte diese Arbeit drei Ziele: die Bestimmung der Struktur des CODH/ACS-Komplexes von C. hydrogenoformans, die Untersuchung der CO2-Reduktionsaktivität von CODHasen und die Analyse der Rolle des internen Tunnels im CODH/ACS-Komplex. Die Struktur des CODH/ACS-Komplexes von C. hydrogenoformans wurde durch Röntgenkristallographie mit einer Auflösung von 2,04 Å bestimmt. Die CO2-Reduktion am Cluster C wurde kinetisch untersucht. Es zeigte sich, dass die CO2-Reduktion durch einen Ping-Pong-Mechanismus mit zwei Reaktionsstellen erfolgen könnte, der in früheren Studien vorgeschlagen wurde, aber auch durch andere Mechanismen. Um eine Struktur-Funktionsbeziehung für CODHs zu ermitteln, wurde die CO2-Reduktionsaktivität für drei CODHasen von C. hydrogenoformans untersucht, deren Strukturen bekannt sind: CODH-II, CODH-IV, und der CODH/ACS-Komplex. Das Tunnelsystem im CODH/ACS-Komplex ist viel enger als in den anderen CODHs und könnte somit der Grund für die vergleichsweise geringe Aktivität des CODH/ACS-Komplexes sein. Dies wurde auch durch die Manipulation und Analyse des internen Tunnels des CODH/ACS-Komplexes unterstützt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Hauptzweck des Tunnels im CODH/ACS-Komplex die Kompartimentierung von CO und nicht der schnelle Substrattransport ist. / The complex of carbon monoxide dehydrogenase and acetyl-CoA synthase (CODH/ACS complex) of the thermophilic bacterium Carboxydothermus hydrogenoformans catalyses the fixation of CO2 into acetyl-CoA and is thus a potential catalyst for the production of renewable fuels from CO2. Catalysis occurs at two different sites: CO2 is reduced to CO at cluster C in the CODH subunit, which then travels through a tunnel within the protein to cluster A in the ACS subunit, where it reacts with a methyl group and CoA to form acetyl-CoA. The way in which the two catalytic activities interact is still unclear. To shed more light on this, this work pursued three goals: to determine the structure of the CODH/ACS complex of C. hydrogenoformans, to investigate the CO2 reduction activity of CODHases and to analyse the role of the internal tunnel in the CODH/ACS complex. The structure of the CODH/ACS complex of C. hydrogenoformans was determined by X-ray crystallography at 2.04 Å resolution. The CO2 reduction at cluster C was investigated kinetically. It was found that CO2 reduction could occur by a two-site ping-pong mechanism proposed in previous studies, but also by other mechanisms. To establish a structure-function relationship for CODHs, CO2 reduction activity was investigated for three CODHases of C. hydrogenoformans whose structures are known: CODH-II, CODH-IV, and the CODH/ACS complex. The tunnel system in the CODH/ACS complex is much narrower than in the other CODHs and could thus be the reason for the comparatively low activity of the CODH/ACS complex. This was also supported by the manipulation and analysis of the internal tunnel of the CODH/ACS complex. The results suggest that the main purpose of the tunnel in the CODH/ACS complex is to compartmentalise CO and not to rapidly transport substrate.

In den Firmicutes wird der Induktorausschluss (Katabolitrepression) durch das am Serin46 phosphorylierte HPr (PTS) vermittelt. Der genaue Mechanismus war jedoch unklar. Um diese Frage auf der Grundlage von isolierten Proteinen zu klären, wurde ein zum Escherichia coli Maltose-/Maltodextrin-ABC-Transporter homologes System aus Lactobacillus casei BL23 (MalE1-MalF1G1K12) als Modellsystem genutzt. Im Rahmen der Promotion wurde über isothermale Titrationskalorimetrie und Fluoreszenzspektroskopie gezeigt, dass das Bindeprotein MalE1 lineare und zyklische Maltodextrine, aber keine Maltose bindet. Experimentell ermittelte dreidimensionale Strukturen von MalE1 im Komplex mit diesen Zuckern belegten eine vergleichbar geschlossene Konformation und dienten zusätzlich als Grundlage, um die fehlende Maltosebindung zu erklären. Die Stimulierung der ATPaseaktivität des in Liposomen und Nanodiscs eingebauten Komplexes wurde jedoch hauptsächlich durch eine MalE1-Beladung mit linearen Maltodextrinen bewirkt. Eine bis zu 85 %ige Inhibierung der ATPaseaktivität durch P-Ser46-HPr belegte erstmals in vitro eine Interaktion von mehr als einem phosphorylierten Protein mit dem Transporter. Analog zum EIIAGlc-Inhibitor des homologen Systems aus E. coli wurden über Quervernetzungsexperimente und massenspektrometrische Analysen Interaktionen mit dem MalK1-Dimer als interagierende Komplexeinheit in der Nähe des Walker A-Motivs nachgewiesen. Über Fluoreszenzmessungen in Anwesenheit des ATP-Analogons TNP-ATP wurde eine unbeeinflusste ATP-Bindung und damit eine fehlende Blockade der γ-Phosphatbindestelle des Walker-A Motivs durch die Phosphorylgruppe von P-Ser46-HPr bestimmt. Die folgende Substitution verschiedener positiv geladener MalK1-Reste, die als potenzielle Interaktionsstellen für die Phosphorylgruppe fungieren könnten, identifizierte K63 in der Nähe des Walker A-Motivs als ersten möglichen Partner. Der genaue Mechanismus der Inhibierung bleibt jedoch unklar. / Catabolite repression is a global mechanism which controls the utilization of carbohydrates in bacteria. In Firmicutes HPr, a component of the phosphoenolpyruvate carbohydrate phosphotransferase system, prevents the uptake of less preferred sugars but only when it is phosphorylated at serine46. However the exact mechanism was unclear. To address this question the purified ATP-binding cassette transporter from Lactobacillus casei BL23 (MalE1-MalF1G1K12) was used as a model system, which is homologous to the Escherichia coli maltose/maltodextrin ABC importer. Isothermal titration calorimetry and fluorescence spectroscopy revealed that the binding protein MalE1 binds linear and cyclic maltodextrins but not maltose. Experimentally determined three-dimensional structures from MalE1 in complex with these sugars show a comparably closed conformation and served as a basis to explain the lack of maltose binding. The stimulation of the ATPase activity of the transporter incorporated in liposomes and nanodiscs however, was mainly caused by MalE1 loaded with linear maltodextrins. For the first time an inhibition of ATPase activity by P-Ser46-HPr up to 85 % and an interaction of more than one phosphorylated protein with the transporter was demonstrated. Analogous to the EIIAGlc inhibitor of the homologous system from E. coli, cross-linking experiments and mass spectrometric analyzes revealed interactions with the MalK1 dimer near the Walker A motif. Fluorescence measurements in the presence of the ATP analogue TNP-ATP, however, revealed an unaffected ATP binding and thus a lack of blockade of the γ-phosphate binding site (Walker A motif) by the phosphoryl group from P-Ser46-HPr. The following substitution of several positively charged MalK1 residues that could act as potential sites of interaction for the phosphoryl group, identified K63 near the Walker A motif as the first potential partner. The exact mechanism of inhibition, however, remains unclear.

Die meisten Cyanobakterien und Chloroplasten von Rotalgen verfügen über Phycobilisomen, große lichtsammelnde Multiproteinkomplexe, die an der cytoplasmatischen Seite der Thylakoidmembran gebunden vorliegen. Unter stickstofflimitierten Bedingungen werden die Phycobilisomen proteolytisch abgebaut. Dieser Prozess schützt vor Fotoschäden unter den gegebenen Stressbedingungen und liefert gleichzeitig einen großen Vorrat an Stickstoff enthaltenden Substanzen. Das Gen nblA, welches in allen Phycobilisomen enthaltenden Organismen vorkommt, kodiert für ein Polypeptid von ungefähr 7 kDa, das eine Schlüsselrolle im Abbau der Phycobilisomen einnimmt. Die Wirkungsweise von NblA dabei wird jedoch bisher kaum verstanden. Ein Selenomethioninderivat von NblA des filamentösen Cyanobakteriums Anabaena sp. PCC 7120 wurde in Escherichia coli rekombinant hergestellt, gereinigt und kristallisiert. Die Röntgenkristallstruktur von NblA wurde mithilfe der single-wavelength anomalous dispersion-Methode bis zu einer Auflösung von 1,8 Angstrom bestimmt. Das finale Modell verfügt über einen kristallographischen R-Wert von 18,2% und einen freien R-Wert von 21,7%. Das kleine NblA-Protein von 65 Aminosäuren besteht aus zwei alpha-Helices, die in einem ca. 37°-Winkel in einer antiparallelen, V-förmigen Anordnung zueinander stehen. Zwei dieser Monomere bilden die grundlegende strukturelle Einheit von NblA, ein vier-Helix-Bündel, bei dem sich die Spitzen der "Vs" auf der gleichen Seite des Dimers überlagern und über eine nicht-kristallographische zweizählige Achse miteinander verknüpft sind. Auf der Grundlage von Bindungsstudien und der Kenntnis der NblA-Struktur konnte ein Modell für die Bindung von NblA an die Phycobilisomenstruktur postuliert werden. / Cyanobacterial light harvesting complexes, the phycobilisomes, are proteolytically degraded when the organisms are starved for combined nitrogen, a process referred to as chlorosis or bleaching. Gene nblA, present in all phycobilisome-containing organisms, encodes a protein of about 7 kDa that plays a key role in phycobilisome degradation. To gain deeper insights into the mode of action of NblA in this degradation process the crystal structure of NblA was determined and a model of its binding to phycobilisomes was proposed. For this purpose, NblA from Anabaena sp. PCC 7120 was produced as selenomethionine NblA derivative in Escherichia coli B834 (DE3), purified and crystalized. NblA crystals grew as long, but thin rods and belong to the monoclinic space group P2(1) with cell parameters of a = 43.2 A, b = 95.9 A, c = 104.8 A and Beta = 97.0°. They contain twelve NblA monomers in the asymmetric unit. The crystal structure with a resolution of 1.8 A was determined using the single-wavelength anomalous dispersion (SAD) technique and refined to final values for Rwork and Rfree of 0.182 and 0.217, respectively. The small NblA polypeptide of 65 amino acids consists of two alpha-helices which are assembled at a ~37° angle in an antiparallel, V-shaped arrangement. Two NblA monomers form the basic structural unit of NblA, a four-helix bundle with the tips of the V superimposing on the same side of a dimer. The dimer is formed by two molecules related by a non-crystallographic dyad axis. Based on the crystal structure presented here, pull-down experiments, and peptide scan data a model of binding of NblA to phycobilisomes was proposed. Considering the entire phycobilisome structure, NblA is predicted to bind via its amino acids Leu51 and Lys53 to the trimer-trimer interface of the phycobiliprotein hexamers.

Die Familie der Mykobakterien setzt sich aus pathogenen und apathogenen Vertretern zusammen. In dieser Arbeit wurden 3 Mitglieder dieser Familie für Untersuchungen herangezogen: ihr prominentester pathogener Vertreter Mycobacterium tuberculosis, der Erreger der Tuberkulose, das als Impfstoff eingesetzte Mycobacterium bovis BCG, das durch Attenuierung aus dem Rindertuberkulose-Erreger Mycobacterium bovis hervorging und das apathogene Bodenbakterium Mycobacterium smegmatis. Ein Schlüssel zum Verständnis der Mykobakterien und speziell ihrer Widerstandsfähigkeit ist die Kenntnis ihrer komplexen Zellwand. Peptidoglycan als deren Bestandteil und insbesondere der mittels Undecaprenyl-Monophosphat bewerkstelligte Transport von Peptidoglycan-Vorläufern aus dem Cytoplasma an die Zelloberfläche steht dabei im Zentrum der Zellwandbildung. In M. tuberculosis, M. bovis BCG und M. smegmatis wurden Deletionsmutanten für die Undecaprenyl-Phosphokinase (Upk) hergestellt. Für M. smegmatis wurde gezeigt, daß die delta upk Deletionsmutante, in Übereinstimmung mit Deletionsmutanten homologer Gene in anderen Bakterien, eine erhöhte Sensitivität gegenüber dem die Zellwandsynthese hemmenden Antibiotikum Bacitracin aufwies. Überraschenderweise zeigte M. tuberculosis delta upk diesen Phänotyp nicht. Weiterhin ließ sich für M. smegmatis delta upk im Vergleich zum M. smegmatis Wildtyp Peptidoglycan an der Zelloberfläche in geringerem Maße nachweisen. Eindrucksvoll zeigte sich die Bedeutung der Undecaprenyl Phosphokinase in der gestörten Entwicklung von Biofilmen im Falle der M. smegmatis delta upk Mutante. Dies galt sowohl für in vitro Bedingungen als auch für ein, im Rahmen dieser Arbeit, neu entwickeltes in vivo Modell. Vergleiche von M. tuberculosis Wildtyp und M. tuberculosis Mutante auf der Ebene von Proteom- und Transkriptom-Analysen führten zur Identifikation eines zum mykobakteriellen Fettsäure-Synthese II (FASII) System gehörenden Operons, das im Falle der upk-Deletion verstärkt exprimiert wurde und damit möglicherweise einen Kompensationsmechanismus für die fehlende Phosphokinase darstellt. Eine reduzierte Persistenz von M. smegmatis delta upk in infizierten Makrophagen legte nahe, daß Upk bei mykobakteriellen Infektionen eine entscheidende Rolle für das Überleben der Bakterien und ihre Virulenz spielt. Dies konnte erstmals für M. tuberculosis im Rahmen von Maus-Infektionsversuchen gezeigt werden. M. tuberculosis delta upk ließ sich als neues Mitglied in eine Reihe von als growth in vivo (giv) klassifizierten Mutanten einreihen. Die Herstellung von Deletionsmutanten wird als Möglichkeit betrachtet, verbesserte Impfstoffe herzustellen. Die physiologische Konsequenz der Deletion sollte bestenfalls neben einer Attenuierung des Ausgangsbakteriums (gilt besonders für M. tuberculosis) eine Überexpression protektionsrelevanter Antigene zur Folge haben. Im Vergleich zum bestehenden Impfstoff M. bovis BCG führte die Impfung von Mäusen mit M. bovis BCG delta upk sowohl zu geringerer bakterieller im Anschluß an die Vakzinierung als auch zu einer verbesserten Langzeit-Protektion gegen Tuberkulose. / The family of mycobacteria is composed of pathogenic and apathogenic bacteria. This study was performed with 3 members of this family, the most prominent pathogenic member, Mycobacterium tuberculosis, the causative agent of tuberculosis, the vaccine strain Mycobacterium bovis BCG which was developed by attenuation of the bovine tuberculosis agent Mycobacterium bovis, and Mycobacterium smegmatis which is apathogenic and widely distributed in soil. A key to understanding mycobacteria and, especially, their resistance is to understand the complexity of their cell wall. Peptidoglycan is a major component of the cell wall and the transport of peptidoglycan precursors out of the cytoplasm to the bacterial surface by undecaprenyl monophosphate is central to cell wall synthesis. Therefore, deletion mutants of the undecaprenyl phosphokinase gene (upk) were generated in M. tuberculosis, M. bovis BCG, and M. smegmatis. In the case of M. smegmatis it was shown that a delta upk deletion mutant, as with deletion mutants of homologous genes in other bacteria, exhibited an increased sensitivity to the antibiotic bacitracin, indicating that cell wall synthesis was hampered. Surprisingly, M. tuberculosis delta upk did not exhibit this phenotype. Furthermore, a lower level of peptidoglycan was detected on the cell surface of an M. smegmatis delta upk mutant compared to M. smegmatis wildtype. Relevance of the undecaprenyl phosphokinase was demonstrated by impaired biofilm development in the case of the M. smegmatis delta upk mutant. This was observed in vitro as well as in vivo using an animal model which was newly developed in this thesis. A fatty acid synthase II (FASII) system related operon revealed by comparative proteome- and transcriptome-analyses comparing M. tuberculosis wildtype and M. tuberculosis delta upk mutant, and may reflect a compensatory mechanism for the loss of upk. Reduced persistence of M. smegmatis in infected macrophages suggested a decisive role of Upk in mycobacterial infection concerning survival and virulence of bacteria. This was later demonstrated to be true for M. tuberculosis in a mouse model. M. tuberculosis delta upk was, therefore, classified as a new member of the group of growth in vivo (giv) mutants. Construction of deletion mutants is a strategy to identify improved vaccines. Ideally, the physiologic consequences of a gene deletion would result in attenuation of the modified bacterium (especially in the case of M. tuberculosis) and overexpression of antigens relevant for protection. Compared to the existing vaccine M. bovis BCG, vaccination of mice with M. bovis BCG delta upk exhibited a lower bacterial load upon vaccination as well as an improved long-lasting protection against M. tuberculosis infection.

Die genomische Insel (GI) FhaGI 1 des Stammes Francisella hispaniensis (Fhis) AS02 814 kann sowohl in die tRNAVal integriert als auch als episomale Form vorliegen und kodiert für einen putativen Prophagen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch Verwendung synthetisch hergestellter, verkürzter Varianten von FhaGI-1 gezeigt werden, dass die GI auf andere Francisella Spezies übertragbar ist. Die ortsspezifische Integration und Exzision der GI sind Integrase-abhängige Prozesse, die durch weitere regulatorische Gene beeinflusst werden. Die Identifizierung der GI FphGI 1 in drei F. philomiragia-Stämmen zeigt, dass die tRNAVal als Integrationsort für GIs in Francisella dient. Die vermutlich nicht funktionale Integrase von FphGI 1 ist wahrscheinlich die Ursache für das Fehlen einer episomalen Form der GI. Das Vorhandensein von GIs in Francisella liefert einen Hinweis darauf, dass horizontaler Gentransfer zwischen verschiedenen Francisella Spezies möglich ist. Auf Grundlage von FhaGI 1 wurden zwei Varianten eines Francisella- Phagenintegrationsvektors (pFIV1-Val und pFIV2 Val) generiert. Der FIV Teil der Vektoren bildet eine zirkuläre, episomale Form, die nach der Transformation in verschiedene Francisella Spezies ortspezifisch in die tRNAVal integriert. Es konnte gezeigt werden, dass die Vektoren für die Expression von Reportergenen sowie die Komplementation von Francisella Deletionsmutanten geeignet sind. Sie sind sowohl in vitro als auch während der Infektion von Wirtszellen ohne Selektionsdruck stabil und zählen zu den low-copy-Vektoren. Damit erweitern die FIV-Vektoren das Repertoire der vorhandenen Werkzeuge zur genetischen Manipulation von Francisellen. Da der Stamm Fhis AS02 814 für Untersuchungen nicht zur Verfügung stand, wurde FhaGI 1 synthetisch in zwei Hälften hergestellt, die jedoch bisher nicht zusammengeführt werden konnten. Damit ist eine Aussage darüber, ob es sich bei FhaGI 1 tatsächlich um einen funktionalen Prophagen handelt, bis jetzt nicht möglich / The genomic island (GI) FhaGI 1 of strain Francisella hispaniensis (Fhis) AS02 814 can exist as a circular episomal form or integrated into the tRNAVal gene and codes for a putative prophage. In this work small-sized variants of FhaGI 1 were used to show that the GI can be transferred to other Francisella species. The site-specific integration and excision of the GI are integrase-dependent processes that are influenced by further regulatory genes. The identification of the GI FphGI 1 in three F. philomiragia strains shows that the tRNAVal gene serves as an integration site for GIs in Francisella. The integrase of FphGI 1 is probably non-functional and hence presumably the reason for the missing episomal form of the GI. The presence of GIs in Francisella might be an indication that horizontal gene transfer between different Francisella species could be possible. Two variants of a Francisella phage integration vector (pFIV1 Val and pFIV2 Val) were successfully constructed based on FhaGI 1. The FIV Val part of the vectors integrates site-specifically into the tRNAVal after transformation into different Francisella species. It was demonstrated that the vectors can be used for the expression of reporter genes as well as for the complementation of Francisella deletion mutants. They remain stable without selective pressure during in vitro growth and during the infection of host cells and fall into the group of low-copy-vectors. The FIV Val vectors expand the repertoire of tools that can be used for the genetic manipulation of Francisella. As strain Fhis AS02 814 could not be obtained for further analysis, FhaGI 1 was synthetically generated in two halves which could not be joined so far. Consequently, it is not possible to state whether FhaGI 1 actually codes for a functional prophage.

Bakterielle Wirte wie Escherichia coli dienen der Produktion industrieller rekombinanter Proteine. Dieser Prozess verursacht systemischen Stress und führt zu umfangreichen Veränderungen in mRNA- und Proteinexpression. In meiner Arbeit analysiere ich Regulationsmechanismen der zellulären Reaktion auf diesen Stress. Zudem untersuche ich die zelluläre Ressourcenallokation mittels eines stationären Ganzzellmodells von E. coli, basierend auf der Resource Balance Analysis. Das Modell berücksichtigt Kosten zellulärer Prozesse und Einschränkungen wie Energie, Effizienz und Raum. Es unterstützt die Experimentplanung in der Bioproduktion. Weiterhin habe ich an der Entwicklung von RBApy mitgewirkt, einer Software zur Erstellung und Simulation von RBA-Modellen. Schließlich entwickle ich ein Modell zur Untersuchung der Regulation von Stressreaktionen durch die Tendenz der Zelle, wachstumsoptimale Ressourcenstrategien anzuwenden. Das Modell berücksichtigt zelluläre Beschränkungen und zeigt, dass die erhaltene Stressreaktion der experimentell ermittelten Reaktion ähnelt. Die Integration von Ressourcenzuteilung in Zellmodelle ermöglicht Einsichten in regulatorische Ereignisse und Anpassungen während der Bioproduktion, was zur Optimierung der rekombinanten Proteinexpression in Escherichia coli beiträgt. / Bacterial hosts such as Escherichia coli are used for the production of industrial recombinant proteins. This process causes systemic stress and leads to extensive changes in mRNA and protein expression. In my work, I analyze regulatory mechanisms of the cellular response to this stress. In addition, I investigate cellular resource allocation using a steady-state whole-cell model of E. coli based on resource balance analysis. The model accounts for costs of cellular processes and constraints such as energy, efficiency, and space. It supports experiment design in bioproduction. Furthermore, I contributed to the development of RBApy, a software to create and simulate RBA models. Finally, I developed a model to study the regulation of stress responses by the tendency of the cell to adopt growth-optimal resource strategies. The model accounts for cellular constraints and shows that the obtained stress response resembles the experimentally determined response. Integrating resource allocation into cell models provides insights into regulatory events and adaptations during bioproduction, which contributes to the optimization of recombinant protein expression in Escherichia coli.

CRISPR-Cas ist ein adaptives Immunsystem, dass Bakterien und Archaeen vor eindringenden Nukleinsäuren schützt. Es besteht aus einem sogenannten CRISPR-Array, der als genetisches Gedächtnis vorangegangene Infektionen speichert und einem cas Lokus, welcher für die Abwehr essentielle Proteine codiert. Das CRISPR-assoziierte Protein 9 (Cas9) des Typ II CRISPR-Cas Systems aus Streptococcus pyogenes ist heutzutage das Mittel der Wahl für Gentherapie und Genom-Modifikationen. Allerdings gibt es nach wie vor Probleme mit der Ungenauigkeit dieses Systems, welche für eben genannte Ansätze behoben werden müssen. Aus diesem Grund ist es besonders wichtig zu verstehen, in welcher Weise die Spezifität von Cas9 beeinflusst wird. In dieser Arbeit wurden die Voraussetzungen für eine spezifische Erkennung der Zielsequenz durch drei verschiedene Cas9 Proteine des Typs II-A und ein Cas12a Protein des Typs V-A CRISPR-Cas Systems untersucht. Wir zeigen, dass Arginin Seitenketten der sogenannten „bridge“ Helix in Cas9 von S. pyogenes eine wichtige Rolle in der Bindung und Spaltung der DNS spielen. Diese Seitenketten können in zwei Gruppen unterteilt werden, welche die Spezifität von Cas9 entweder vergrößern oder verkleinern. Die Aminosäuren R63 und R66 reduzieren die Spezifität von Cas9 indem sie den sogenannten R-loop in Anwesenheit einer Fehlpaarung stabilisieren. Wir zeigen außerdem, dass Q768 eine erhöhte Toleranz von Cas9 zu Fehlpaarungen an Position 15 der Zielsequenz vermittelt und dass das Entfernen dieser Aminosäure die Spezifität von Cas9 im Bereich der Zielsequenz, die am weitesten von der PAM entfernt ist, erhöht. Eine Kombination der Mutationen der oben genannten Arginin und Glutamin Seitenketten führt zur Erhöhung der Gesamtspezifität von Cas9. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum Verständnis bei, wie Cas9 Fehlpaarungen innerhalb der Zielsequenz detektiert und können dabei helfen weitere Strategien für eine verbesserte Spezifität von Cas9 zu entwickeln. / CRISPR-Cas (CRISPR-associated) systems are adaptive immune systems that have evolved in bacteria and archaea for protection against invading nucleic acids. They consist of a CRISPR array, where the genetic memory of the infection is stored and ultimately transcribed and processed into CRISPR RNAs (crRNAs), and of an operon of cas genes that encodes the Cas proteins. This thesis is focused on class 2 CRISPR-Cas systems that employ single RNA-guided nucleases in the interference phase. Dual-RNA guided CRISPR-associated protein 9 (Cas9) of the type II CRISPR-Cas system has become the tool of choice for genome editing applications in life sciences. However, off-target cleavage by Cas9 is one major issue that needs to be addressed for applications of the CRISPR-Cas9 technology for therapeutic purposes. Therefore, understanding the features that govern Cas9 specificity is of great importance. In this thesis, seed sequence requirements of three Cas9 proteins from the class 2 type II-A and one Cas12a protein from the class 2 type V-A CRISPR-Cas system have been investigated. We analyze the influence of mismatches and show that they affect target binding and/or cleavage by S. pyogenes Cas9. Additionally, we demonstrate that the arginine residues from the bridge helix of S. pyogenes Cas9 are important for target DNA binding and cleavage. Furthermore, these residues comprise two groups that either increase or decrease Cas9 sensitivity to mismatches i.e. specificity. R63 and R66 reduce Cas9 specificity by stabilizing the R-loop in the presence of mismatches. We also show that Q768 mediates Cas9 tolerance to a mismatch at target position 15 and removal of Q768 increases Cas9 specificity in the PAM-distal part of the target. Combination of arginine mutations and Q768A increased overall the sensitivity to mismatches. The results of this thesis elucidate how Cas9 senses PAM-adjacent mismatches and provide a basis to develop strategies for Cas9 variants with enhanced specificity.

Strikt anaerobe Bakterien wie Clostridium difficile und C. scatologenes verwenden GRE, um die chemisch ungünstige Decarboxylierung von 4-Hydroxyphenylacetat zu p-Cresol zu katalysieren. Das Enzymsystem besteht aus einer Decarboxylase und dem zugehörigen Aktivierungsenzym. Die 4-Hydroxyphenylacetat-Decarboxylase (4Hpad) besitzt zusätzlich zum Protein-basierten Glycinradikal eine weitere Untereinheit mit bis zu zwei [4Fe-4S] Clustern und repräsentiert hierdurch eine neue Klasse von Fe/S-Cluster-haltigen GREs, die aromatische Verbindungen umsetzen. Das Aktivierungsenzym (4Hpad-AE) weicht vom Standardtypus ab, indem es zusätzlich zum S-Adenosylmethionin(SAM)-bindenden [4Fe-4S]-Cluster (RS-Cluster) mindestens einen weiteren [4Fe-4S]-Cluster bindet. In dieser Studie wurden heterologe Expressions- und Reinigungsprotokolle für 4Hpad und 4Hpad-AE entwickelt. Kristallstrukturen von 4Hpad cokristallisiert mit den Substraten (4-Hydroxyphenylacetat, 3,4-Dihydroxyphenylacetat) und dem Inhibitor (4-Hydroxyphenylacetamid) zeigten geringe strukturelle Änderungen im aktiven Zentrum des Proteins. Die Radikalbildung am 4Hpad-AE wurde durch die Überprüfung einer klassischen reduktiven Spaltung von SAM zu den Reaktionsprodukten 5’-Deoxyadenosin und Methionin bestätigt. EPR- und Mössbauer-Spektroskopische Analysen zeigten, dass 4Hpad-AE mindestens einen zusätzlichen [4Fe-4S] Cluster neben dem einzelnen RS-Cluster enthält. Die katalytische Notwendigkeit eines zusätzlichen Clusters wurde durch eine Mutationsanalyse untersucht, wobei eine verkürzte Version des Enzyms ohne die zusätzliche Cystein-reiche Insertion konstruiert wurde. Das verkürzte Mutante ohne die Bindungsmotive für die zusätzlichen Cluster gekennzeichnet, die Konfiguration, Stöchiometrie und die Funktion der zusätzlichen Cluster diagnostizieren. / 4-hydroxyphenylacetate decarboxylase (4Hpad) is a two [4Fe-4S] cluster containing glycyl radical enzyme proposed to use a glycyl/thiyl radical dyad to catalyze the last step of tyrosine fermentation in Clostridium difficile and C. scatologenes by a Kolbe-type decarboxylation. The decarboxylation product p-cresol is a virulence factor of the human pathogen C. difficile. The small subunit of 4Hpad may have a regulatory function with the Fe/S clusters involved in complex formation and radical dissipation in the absence of substrate. The respective activating enzyme (4Hpad-AE) has one or two [4Fe-4S] cluster(s) in addition to the SAM-binding [4Fe-4S] cluster (RS cluster). The role of these auxiliary clusters is still under debate with proposed functions including structural integrity and conduit for electron transfer to the RS cluster. This study shows the optimized expression and purification protocols for the decarboxylase and the co-crystallization experiments and binding studies with 4-hydroxy-phenylacetate and 3,4-dihydroxyphenylacetate and with the inhibitor 4-hydroxy-phenylacetamide. The purification and characterization of active site mutants of decarboxylase are also done. Concerning 4-HPAD-AE, we report on the purification of code-optimized variants, and on spectroscopic and kinetic studies to characterize the respective i) SAM binding enthalpies, ii) rates for reductive cleavage of SAM and iii) putative functions of the additional Fe/S clusters. The truncated mutant lacking the binding motifs for the auxiliary clusters is characterized to diagnose the configuration, stoichiometry and function of the auxiliary clusters.

In der vorliegenden Arbeit wurde der lichtinduzierte Reaktionszyklus des bakteriellen Phytochroms Agp2 aus Agrobacterium tumefaciens mit FTIR‑ und UV‑Vis‑Spektroskopie untersucht. Der Photorezeptor besteht aus einem photosensorischen Modul und einer signalgebenden Histidin-Kinase-Domäne. Das photosensorische Modul bindet das Tetrapyrrol Biliverdin als Chromophor. Der Grundzustand von Agp2 (Pfr, 750 nm) ist gegenüber dem lichtaktivierten Zustand (Pr, 700 nm) rotverschoben, weshalb Agp2 den Bathyphytochromen zugeordnet wird. Die Untersuchungen erfolgten unter Verwendung von Isotopenmarkierung, H/D-Austauschexperimenten und ortsspezifischer Mutagenese. Daraus ließen sich folgende molekulare Änderungen charakterisieren, welche im Reaktionszyklus von Agp2 erfolgen: Die lichtinduzierte Isomerisierung des Chromophors führt zu einem Übergang vom Pfr- in den Pr-Zustand, wobei zwei Intermediate, Lumi‑F und Meta‑F, durchlaufen werden. Neben der Konformationsänderung des Chromophor‑D‑Rings ist auch die C‑Ring-Propionsäureseitenkette an der Photoreaktion beteiligt. Die C-Ring-Propionsäureseitenkette ist im Pfr-Zustand protoniert und wird im Übergang von Meta-F zu Pr deprotoniert. Der Pr-Zustand weist eine pH-Abhängigkeit auf, welche auf die pH-abhängige Ladung des Histidins 278 der Chromophortasche zurückzuführen ist. Je nach Ladung des Histidins 278 wird die Keto‑ bzw. Enolform der C(19)=O‑Gruppe des D‑Rings stabilisiert. Die Keto/Enol-Tautomerie ist auf eine innerhalb des Chromophors erfolgende Protontranslokation zurückzuführen und moduliert die Relaxation in den Pfr-Zustand. Änderungen der Amid-I-Absorption im Pfr-Pr-Übergang werden der Umstrukturierung der Tongue-Region des photosensorischen Moduls von einer Alpha-helikalen zu einer Beta‑Faltblatt-Struktur zugeordnet. Diese Strukturänderung wird als möglicher Weg der proteininternen Signaltransduktion zwischen photosensorischem und signalgebendem Modul vorgeschlagen. / In this thesis the light-induced reaction cycle of the bacterial phytochrome Agp2 from Agrobacterium tumefaciens was investigated using FTIR and UV‑vis spectroscopy. The photoreceptor comprises a photosensitive module and a signalling histidine kinase domain. The photosensitive module binds the biliverdin tetrapyrrol as chromophore. The Agp2 ground state (Pfr, 750 nm) is red-shifted in comparison with its light-activated state (Pr, 700 nm). Therefore, Agp2 is assigned to the group of bathy phytochromes. The investigations were conducted using isotopically labelled protein, labelled chromophore as well as hydrogen‑deuterium (H‑D) exchange and site-directed mutagenesis. Based on these the following molecular changes could be characterized that occur in the reaction cycle of Agp2: The light-induced isomerization of the chromophore leads to a transition from the Pfr to the Pr state, involving two intermediates, Lumi-F and Meta-F. Besides conformational changes of the chromophore D-ring, the C-ring propionic side chain is involved in the photoreaction as well. The C-ring propionic side chain is protonated in the Pfr state and gets deprotonated in the Meta-F to Pr transition. The Pr state exhibits pH‑dependent alterations which can be explained by pH dependent polarity changes of histidine 278 in the chromophore pocket. Depending on the charge of histidine, the D‑ring C(19)=O group is stabilized either in keto or enol form. The keto/enol tautomerism involves a proton translocation within the chromophore and modulates the relaxation to the Pfr state. The changes in the amide I region in the Pfr-Pr transition are associated with an alpha‑helix to beta‑sheet secondary structure change of the PHY domain tongue‑region. This structural change is proposed as the potential path of signal transduction between the photosensitive and the signalling module.