Wechselwirkungen der Hüllproteine von Bakterien aus Uranabfallhalden mit Schwermetallen

Hüllproteinschichten (S-Layer) sind Protein- oder Glykoproteinschichten auf der Oberfläche vieler Bakterien und Archaea. Sie können als Gitter mit schräger, tetragonaler oder hexagonaler Symmetrie vorliegen. Die Funktion dieser äußersten Zellwandkomponente ist nicht einheitlich und nur teilweise näher untersucht. So können diese zum Beispiel als Schutzhülle, Molekularsieb oder Ionenfalle fungieren oder der Formerhaltung dienen. In neueren Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die Hüllproteinschichten verschiedene Metalle binden und in einigen Fällen die Bildung von Nanoclustern ermöglichen. Unter den Aspekten der Wechselwirkungen von Hüllproteinen mit Schwermetallen und der Entwicklung möglicher Bioremediationsverfahren auf der Basis immobilisierter Biokomponenten wurden Hüllproteine von Bakterien untersucht, die von Schwermetall und Radionuklid belasteten Umgebungen isoliert wurden. Dazu wurde ein Hüll-protein eines Bakteriums aus einer Uranabfallhalde isoliert und strukturell sowie molekularbiologisch analysiert.
Im Rahmen der vorgelegten Arbeit wurden mehrere Haldenisolate der Gattung Bacillus hinsichtlich der Existenz von Hüllproteinen untersucht. Dies erfolgte mit Hilfe einer neu entwickelten Methode zum schnellen Nachweis von Hüllproteinen auf Gram-positiven Bakterien. Dabei wird das Peptidoglycan der Zellwand mit Lysozym verdaut und auf diese Weise die Proteinschicht von der Zellwand gelöst. Die freien Schichten können somit im Transmissionselektronenmikroskop oder Atomkraftmikroskop direkt nachgewiesen werden. Es wurde gefunden, dass nur das Isolat Bacillus sphaericus JG-A12 eine Hüllproteinschicht mit tetragonaler Symmetrie und einer Gitterkonstante von 12,5 nm besitzt. Die (135±5) kDa schweren Hüllproteinmonomere sind nicht glykosyliert, weisen aber zwei verschieden stabil gebundene Phosphorspezies auf. Mittels molekularbiologischer Analysen konnten Teile der Hüllproteingene von B. sphaericus JG-A12 (Base 1 bis 1497 des strukturkodierenden Teils des Gens) und des nächst verwandten Referenzstamms B. sphaericus NCTC 9602 (Base 1 bis 579 des strukturellen Teils des Gens) entschlüsselt werden. Beide Hüllproteine besitzen N-terminal drei S-Layer homologe Domänen und weisen in den Aminosäuren 1-182 nur sehr geringe Identitäten zu bereits entschlüsselten Hüllproteinen anderer B. sphaericus Stämme auf. Dem gegenüber ergeben sich hohe Identitäten für die Aminosäuren 183-320 für Hüllproteine mit tetragonaler Symmetrie (Hüllproteine der B. sphaericus Stämme P-1 und CCM 2177) und sehr niedrige für das Hüllprotein mit schräger Symmetrie (Hüllprotein von B. sphaericus WHO 2362).

Im Hinblick auf katalytische Anwendungen oder der Entwicklung von Bioremediationsverfahren auf der Basis immobilisierter Biokomponenten wurden die Wechselwirkungen von Hüllproteinen mit verschiedenen Metallen untersucht. Es konnten direkte Wechselwirkungen von Palladium, Platin und Uran mit den Hüllproteinen von B. sphaericus JG-A12 und NCTC 9602 nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigen für beide Proteine eine Komplexierung von Platin über CO- und NH-Gruppen der Peptidbindungen und über COOH- und OH-Gruppen. Das Hüllprotein von B. sphaericus JG-A12 komplexiert Palladium über NH-Gruppen der Peptidbindung und COOH-Gruppen, während das von B. sphaericus NCTC 9602 Palladium sowohl über CO-Gruppen der Peptidbindungen als auch über COOH- und OH-Gruppen bindet. Die Komplexierung von Uran erfolgt vorrangig über NH-Gruppen der Peptidbindungen aber auch über OH- sowie zwei verschiedene PO4-Gruppen. Um eine Anwendung der metallbindenden Eigenschaften von Hüllproteinen im Rahmen von Bioremediationsprozessen zu ermöglichen, wurden diese mittels Sol-Gel-Technik in einer SiO2-Matrix immobilisiert und die Sorption und Desorption von Uran und Kupfer untersucht. Zum Vergleich wurden intakte Zellen und Sporen immobilisiert und in die Untersuchungen mit einbezogen. Die biologisierten Keramiken (Biocere) binden 2,7-42fach mehr Uran und Kupfer als andere zur Sanierun...