Metallobiochemistry of Mn/Fe protein cofactors

点击翻译按钮获取中文摘要

Project Summary/Abstract    This  research  program  will  establish  the  fundamental  chemical  principles  underlying  the  newly  discovered  Mn/Fe  proteins.  The  active  sites  of  these  proteins  defy  conventional  inorganic  wisdom  to  spontaneously  assemble  a  bimetallic  cofactor  that  contains  two  different  transition  metals  in  nearly  identical  coordination  environments.  Following  assembly,  oxygen  is  activated  across  the  metal  centers  to  induce  a  one-­  or  two-­ electron  oxidation  reaction,  with  regeneration  occurring  via  intermolecular  electron  transfer.  Unlike  the  well-­ studied  diiron  enzyme  homologs,  the  molecular-­level  details  of  these  processes  in  Mn/Fe  proteins  remain  unknown.  Because  Mn/Fe-­containing  proteins  have  been  identified  primarily  in  extremophilic  and  pathogenic  organisms,  including  many  species  of  Chlamydia  and  Mycobacteria,  it  has  been  suggested  that  the  heterobimetallic  cofactor  may  offer  resistance  against  reactive  nitrogen  and/or  oxygen  species  generated  by  the host immune system. The proposed studies will probe this hypothesis using the R2lox proteins as a model  scaffold,  examining  reactivity  of  the  Mn/Fe  cofactor  relative  to  a  diiron  site.  Initial  studies  by  the  PI  have  indicated  aerobic  assembly  of  R2lox  proceeds  through  two  distinct  intermediates,  identified  by  time-­resolved  optical  and  EPR  spectroscopy.  The  proposed  work  will  use  an  array  of  spectroscopic  techniques,  including  optical,  resonance  Raman,  CW-­  and  pulsed  EPR,  and  Mössbauer,  to  elucidate  the  electronic  and  geometric  structures  of  these  intermediates.  Targeted  mutagenesis  around  the  active  site  will  allow  identification  of  key  residues  responsible  for  selective  metal  binding,  ultimately  revealing  the  mechanism  by  which  assembly  and  activation  proceed.  To  gain  a  comprehensive  picture  of  the  processes  occurring  at  the  active  site,  the  redox  properties  of  Mn/Fe  cofactors  will  be  characterized  to  determine  the  thermodynamics  and  kinetics  of  electron  transfer, a necessary component for efficient catalysis. Finally, the scope of reactivity of Mn/Fe proteins will be  expanded  using  protein  engineering  techniques.  Rational  metalloprotein  design  will  be  coupled  with  directed  evolution approaches to generate highly active enzymes capable of selective oxidation of targeted substrates.  Collectively,  the  proposed  research  program  will  fill  many  existing  knowledge  gaps  about  the  Mn/Fe  proteins,  better  resolving  the  physiological  role  that  these  unique  cofactors  may  play  in  the  metallobiochemistry  of  microbes.