Enzyme promiscuity at the origin of metallo-β-lactamases and within the α/β-hydrolase superfamily

Abstract

Enzymes at the origin of evolution are believed to be promiscuous “all-rounders”, taking part in various primitive metabolic pathways back when organisms had relatively simple and small genomes and limited enzymatic resources. While protein evolution is associated with the specialization of activities, ancestral traces remain in the genome of some organisms. Promiscuous enzymes are of importance in protein and metabolic evolution, environmental and structural biology as well as in biotechnology. In this work, promiscuity traits were studied for two of the most diverse and evolutionary successful protein (super-) families known: the metallo-β-lactamases (MβLs) and the α/β- hydrolases (ABHs). The MβL Igni18 originates from the crenarchaeon Ignicoccus hospitalis, which has one of the smallest genomes known for a free-living organism. It was chosen as a model to elucidate structural evolution of the MβL-fold. The enzyme is extremely thermostable and highly promiscuous, thus adapted to the environmental conditions of its host´s habitat. Within this thesis, I was able to produce this crenarchaeal and ancestral protein in the methylotrophic yeast Pichia pastoris. The protein was crystallized, and its structure could be determined. The rather compact crystal structure of the monomer turned out to be very similar to the core of a set of specialized enzymes and therefore, Igni18 exemplifies the structure of a common ancestor. Based on these analyses, ten Protein Variable Regions (PVRs) were defined that distinguish the original, “multitasking” MβL from its modern relatives. In the second part of this work, enzyme promiscuity in the ABH superfamily was studied within a set of metagenome-derived clones with esterase activity. Their reaction profile against a collection of 96 esters allowed the classification in three categories according to their level of promiscuity. 80 new, putative hydrolase-coding genes were described and initial characterization of 45 of them was performed. Results from this thesis highlight the need to rethink the way metabolic pathways are being predicted in the presence of enzyme promiscuity.

Es wird angenommen, dass Enzyme am Ursprung der Evolution promiskuitive „Alleskönner“ waren. Sie waren an verschiedenen primitiven Stoffwechselwegen beteiligt, als Organismen noch relativ einfache und kleine Genome und begrenzte enzymatische Ressourcen besaßen. Während die Proteinentwicklung mit der Spezialisierung von Aktivitäten verbunden ist, verbleiben Ahnenspuren im Genom einiger Organismen. Promiskuitive Enzyme sind für die Protein- und Stoffwechselentwicklung, die Umwelt- und Strukturbiologie sowie für die Biotechnologie von Bedeutung. In dieser Arbeit wurden Promiskuitätsmerkmale für zwei der vielfältigsten und evolutionär erfolgreichsten bekannten Protein- (super-) Familien untersucht: die Metallo-β-Lactamasen (MβLs) und die α/β-Hydrolasen (ABHs). Die MβL Igni18 stammt aus dem Crenarchaeon Ignicoccus hospitalis, das eines der kleinsten Genome aufweist, die für einen frei lebenden Organismus bekannt sind. Es wurde als Modell ausgewählt, um die strukturelle Entwicklung der MβL-Faltung aufzuklären. Das Enzym ist extrem thermostabil und sehr promiskuitiv und daher an die Umweltbedingungen des Lebensraums seines Wirts angepasst. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ich dieses crenarchaeelle Vorgängerprotein in der methylotrophen Hefe Pichia pastoris herstellen. Das Protein wurde kristallisiert und seine Struktur konnte bestimmt werden. Die ziemlich kompakte Kristallstruktur des Monomers erwies sich dem Kern einer Reihe spezialisierter Enzyme als sehr ähnlich, und daher veranschaulicht Igni18 die Struktur eines gemeinsamen Vorfahren. Basierend auf diesen Analysen wurden zehn „Protein Variable Regions“ (PVRs) definiert, die das ursprüngliche „Multitasking“-MβL von seinen modernen Verwandten unterscheiden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Promiskuität von Enzymen in der ABHSuperfamilie in einer Reihe von Metagenomklonen mit Esteraseaktivität untersucht. Ihr Reaktionsprofil wurde gegen eine Sammlung von 96 Estern erstellt. Dies ermöglichte die Einteilung in drei Kategorien nach ihrem Promiskuitätsgrad. 80 neue vermutlich Hydrolasekodierende Gene wurden beschrieben und 45 von ihnen wurden zunächst charakterisiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen die Notwendigkeit, die Art und Weise zu überdenken, in der Stoffwechselwege bei Vorhandensein von Enzympromiskuität vorhergesagt werden.