TY - JOUR A1 - Correia, Marcia A. S. A1 - Otrelo-Cardoso, Ana Rita A1 - Schwuchow, Viola A1 - Clauss, Kajsa G. V. Sigfridsson A1 - Haumann, Michael A1 - Romao, Maria Joao A1 - Leimkühler, Silke A1 - Santos-Silva, Teresa T1 - The Escherichia coli Periplasmic Aldehyde Oxidoreductase Is an Exceptional Member of the Xanthine Oxidase Family of Molybdoenzymes JF - ACS chemical biology N2 - The xanthine oxidase (XO) family comprises molybdenum-dependent enzymes that usually form homodimers (or dimers of heterodimers/trimers) organized in three domains that harbor two [2Fe-2S] clusters, one FAD, and a Mo cofactor. In this work, we crystallized an unusual member of the family, the periplasmic aldehyde oxidoreductase PaoABC from Escherichia coli. This is the first example of an E. coli protein containing a molybdopterin-cytosine-dinucleotide cofactor and is the only heterotrimer of the XO family so far structurally characterized. The crystal structure revealed the presence of an unexpected [4Fe-4S] cluster, anchored to an additional 40 residues subdomain. According to phylogenetic analysis, proteins containing this cluster are widely spread in many bacteria phyla, putatively through repeated gene transfer events. The active site of PaoABC is highly exposed to the surface with no aromatic residues and an arginine (PaoC-R440) making a direct interaction with PaoC-E692, which acts as a base catalyst. In order to understand the importance of R440, kinetic assays were carried out, and the crystal structure of the PaoC-R440H variant was also determined. Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1021/acschembio.6b00572 SN - 1554-8929 SN - 1554-8937 VL - 11 SP - 2923 EP - 2935 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Otrelo-Cardoso, Ana Rita A1 - da Silva Correia, Marcia Alexandra A1 - Schwuchow, Viola A1 - Svergun, Dmitri I. A1 - Romao, Maria Joao A1 - Leimkühler, Silke A1 - Santos-Silva, Teresa T1 - Structural Data on the Periplasmic Aldehyde Oxidoreductase PaoABC from Escherichia coli: SAXS and Preliminary X-ray Crystallography Analysis JF - International journal of molecular sciences N2 - The periplasmic aldehyde oxidoreductase PaoABC from Escherichia coli is a molybdenum enzyme involved in detoxification of aldehydes in the cell. It is an example of an heterotrimeric enzyme of the xanthine oxidase family of enzymes which does not dimerize via its molybdenum cofactor binding domain. In order to structurally characterize PaoABC, X-ray crystallography and small angle X-ray scattering (SAXS) have been carried out. The protein crystallizes in the presence of 20% (w/v) polyethylene glycol 3350 using the hanging-drop vapour diffusion method. Although crystals were initially twinned, several experiments were done to overcome twinning and lowering the crystallization temperature (293 K to 277 K) was the solution to the problem. The non-twinned crystals used to solve the structure diffract X-rays to beyond 1.80 angstrom and belong to the C2 space group, with cell parameters a = 109.42 angstrom, b = 78.08 angstrom, c = 151.77 angstrom, = 99.77 degrees, and one molecule in the asymmetric unit. A molecular replacement solution was found for each subunit separately, using several proteins as search models. SAXS data of PaoABC were also collected showing that, in solution, the protein is also an heterotrimer. KW - periplasmic aldehyde oxidoreductase KW - X-ray crystallography KW - small angle X-ray scattering KW - crystal twinning Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.3390/ijms15022223 SN - 1422-0067 VL - 15 IS - 2 SP - 2223 EP - 2236 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Badalyan, Artavazd A1 - Dierich, Marlen A1 - Stiba, Konstanze A1 - Schwuchow, Viola A1 - Leimkühler, Silke A1 - Wollenberger, Ulla T1 - Electrical wiring of the aldehyde oxidoreductase PaoABC with a polymer containing osmium redox centers BT - biosensors for benzaldehyde and GABA JF - Biosensors N2 - Biosensors for the detection of benzaldehyde and g-aminobutyric acid (GABA) are reported using aldehyde oxidoreductase PaoABC from Escherichia coli immobilized in a polymer containing bound low potential osmium redox complexes. The electrically connected enzyme already electrooxidizes benzaldehyde at potentials below −0.15 V (vs. Ag|AgCl, 1 M KCl). The pH-dependence of benzaldehyde oxidation can be strongly influenced by the ionic strength. The effect is similar with the soluble osmium redox complex and therefore indicates a clear electrostatic effect on the bioelectrocatalytic efficiency of PaoABC in the osmium containing redox polymer. At lower ionic strength, the pH-optimum is high and can be switched to low pH-values at high ionic strength. This offers biosensing at high and low pH-values. A “reagentless” biosensor has been formed with enzyme wired onto a screen-printed electrode in a flow cell device. The response time to addition of benzaldehyde is 30 s, and the measuring range is between 10–150 µM and the detection limit of 5 µM (signal to noise ratio 3:1) of benzaldehyde. The relative standard deviation in a series (n = 13) for 200 µM benzaldehyde is 1.9%. For the biosensor, a response to succinic semialdehyde was also identified. Based on this response and the ability to work at high pH a biosensor for GABA is proposed by coimmobilizing GABA-aminotransferase (GABA-T) and PaoABC in the osmium containing redox polymer. KW - redox polymer KW - aldehyde oxidoreductase KW - ionic strength KW - benzaldehyde KW - GABA KW - biosensor Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.3390/bios4040403 VL - 4 IS - 4 SP - 403 EP - 421 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Badalyan, Artavazd A1 - Dierich, Marlen A1 - Stiba, Konstanze A1 - Schwuchow, Viola A1 - Leimkühler, Silke A1 - Wollenberger, Ulla T1 - Electrical wiring of the aldehyde oxidoreductase PaoABC with a polymer containing osmium redox centers BT - biosensors for benzaldehyde and GABA T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Biosensors for the detection of benzaldehyde and g-aminobutyric acid (GABA) are reported using aldehyde oxidoreductase PaoABC from Escherichia coli immobilized in a polymer containing bound low potential osmium redox complexes. The electrically connected enzyme already electrooxidizes benzaldehyde at potentials below −0.15 V (vs. Ag|AgCl, 1 M KCl). The pH-dependence of benzaldehyde oxidation can be strongly influenced by the ionic strength. The effect is similar with the soluble osmium redox complex and therefore indicates a clear electrostatic effect on the bioelectrocatalytic efficiency of PaoABC in the osmium containing redox polymer. At lower ionic strength, the pH-optimum is high and can be switched to low pH-values at high ionic strength. This offers biosensing at high and low pH-values. A “reagentless” biosensor has been formed with enzyme wired onto a screen-printed electrode in a flow cell device. The response time to addition of benzaldehyde is 30 s, and the measuring range is between 10–150 µM and the detection limit of 5 µM (signal to noise ratio 3:1) of benzaldehyde. The relative standard deviation in a series (n = 13) for 200 µM benzaldehyde is 1.9%. For the biosensor, a response to succinic semialdehyde was also identified. Based on this response and the ability to work at high pH a biosensor for GABA is proposed by coimmobilizing GABA-aminotransferase (GABA-T) and PaoABC in the osmium containing redox polymer. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1082 KW - redox polymer KW - aldehyde oxidoreductase KW - ionic strength KW - benzaldehyde KW - GABA KW - biosensor Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-475070 SN - 1866-8372 IS - 1082 ER - TY - THES A1 - Schwuchow, Viola T1 - Charakterisierung der periplasmatischen Aldehyd-Oxidoreduktase (PaoABC) aus Escherichia coli N2 - Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen Analysen zur Charakterisierung der periplasmatischen Aldehyd Oxidoreduktase aus E. coli. Kinetische Untersuchungen mit Ferricyanid als Elektronenakzeptor unter anaeroben Bedingungen zeigten für dieses Enzym eine höhere Aktivität als unter aeroben Bedingungen. Die getroffene Hypothese, dass PaoABC fähig ist Elektronen an molekularen Sauerstoff weiter zu geben, konnte bestätigt werden. Für den Umsatz aromatischer Aldehyde mit molekularem Sauerstoff wurde ein Optimum von pH 6,0 ermittelt. Dies steht im Gegensatz zur Reaktion mit Ferricyanid, mit welchem ein pH-Optimum von 4,0 gezeigt wurde. Die Reaktion von PaoABC mit molekularem Sauerstoff generiert zwar Wasserstoffperoxid, die Produktion von Superoxid konnte dagegen nicht beobachtet werden. Dass aerobe Bedingungen einen Einfluss auf das Auslösen der Expression von PaoABC haben, wurde in dieser Arbeit ebenfalls ermittelt. Im Zusammenhang mit der Produktion von ROS durch PaoABC wurde die Funktion eines kürzlich in Elektronentransfer-Distanz zum FAD identifizierten [4Fe4S]-Clusters untersucht. Ein Austausch der für die Bindung des Clusters zuständigen Cysteine führte zur Instabilität der Proteinvarianten, weswegen für diese keine weiteren Untersuchungen erfolgten. Daher wird zumindest ein struktur-stabilisierender Einfluss des [4Fe4S]-Clusters angenommen. Zur weiteren Untersuchung der Funktion dieses Clusters, wurde ein zwischen FAD und [4Fe4S]-Cluster lokalisiertes Arginin gegen ein Alanin ausgetauscht. Diese Proteinvariante zeigte eine reduzierte Geschwindigkeit der Reaktion gegenüber dem Wildtyp. Die Bildung von Superoxid konnte auch hier nicht beobachtet werden. Die Vermutung, dass dieser Cluster einen elektronen-sammelnden Mechanismus unterstützt, welcher die Radikalbildung verhindert, kann trotz allem nicht ausgeschlossen werden. Da im Umkreis des Arginins weitere geladene und aromatische Aminosäuren lokalisiert sind, können diese den notwendigen Elektronentransfer übernehmen. Neben der Ermittlung eines physiologischen Elektronenakzeptors und dessen Einfluss auf die Expression von PaoABC zeigt diese Arbeit auch, dass die Chaperone PaoD und MocA während der Reifung des MCD-Kofaktor eine gemeinsame Bindung an PaoABC realisieren. Es konnte im aktiven Zentrum von PaoABC ein Arginin beschrieben werden, welches auf Grund der engen Nachbarschaft zum MCD-Kofaktor und zum Glutamat (PaoABC-EC692) am Prozess der Substratbindung beteiligt ist. Im Zusammenhang mit dem Austausch dieses Arginins gegen ein Histidin oder ein Lysin wurden die Enzymspezifität und der Einfluss physiologischer Bedingungen, wie pH und Ionenstärke, auf die Reaktion des Enzyms untersucht. Gegenüber dem Wildtyp zeigten die Varianten mit molekularem Sauerstoff eine geringere Affinität zum Substrat aber auch eine höhere Geschwindigkeit der Reaktion. Vor allem für die Histidin-Variante konnte im gesamten pH-Bereich ein instabiles Verhalten bestimmt werden. Der Grund dafür wurde durch das Lösen der Struktur der Histidin-Variante beschreiben. Durch den Austausch der Aminosäuren entfällt die stabilisierende Wirkung der delokalisierten Elektronen des Arginins und es kommt zu einer Konformationsänderung im aktiven Zentrum. Neben der Reaktion von PaoABC mit einer Vielzahl aromatischer Aldehyde konnte auch der Umsatz von Salicylaldehyd zu Salicylsäure durch PaoABC in einer Farbreaktion bestimmt werden. Durch Ausschluss von molekularem Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor, in einer enzym-gekoppelten Reaktion, erfolgte ein Elektronentransport auf Ferrocencarboxylsäure. Die Kombination aus beiden Methoden ermöglichte eine Verwendung von Ferrocen-Derivaten zur Generierung einer enzym-gekoppelten Reaktion mit PaoABC. Die Untersuchungen zu PaoABC zeigen, dass die Vielfalt der durch das Enzym katalysierten Rektionen weitere Möglichkeiten der enzymatischen Bestimmung biokatalytischer Prozesse bietet. KW - Eschericha coli KW - Periplasma KW - Aldehydoxidase KW - Aldehyd KW - Oxidoreduktase KW - Molybdän Y1 - 2019 ER - TY - JOUR A1 - Otrelo-Cardoso, Ana Rita A1 - Schwuchow, Viola A1 - Rodrigues, David A1 - Cabrita, Eurico J. A1 - Leimkühler, Silke A1 - Romao, Maria Joao A1 - Santos-Silva, Teresa T1 - Biochemical, stabilization and crystallization studies on a molecular chaperone (PaoD) involved in the maturation of molybdoenzymes JF - PLoS one N2 - Molybdenum and tungsten enzymes require specific chaperones for folding and cofactor insertion. PaoD is the chaperone of the periplasmic aldehyde oxidoreductase PaoABC. It is the last gene in the paoABCD operon in Escherichia coli and its presence is crucial for obtaining mature enzyme. PaoD is an unstable, 35 kDa, protein. Our biochemical studies showed that it is a dimer in solution with a tendency to form large aggregates, especially after freezing/thawing cycles. In order to improve stability, PaoD was thawed in the presence of two ionic liquids [C(4)mim]Cl and [C(2)OHmim]PF6 and no protein precipitation was observed. This allowed protein concentration and crystallization using polyethylene glycol or ammonium sulfate as precipitating agents. Saturation transfer difference - nuclear magnetic resonance (STD-NMR) experiments have also been performed in order to investigate the effect of the ionic liquids in the stabilization process, showing a clear interaction between the acidic ring protons of the cation and, most likely, negatively charged residues at the protein surface. DLS assays also show a reduction of the overall size of the protein aggregates in presence of ionic liquids. Furthermore, cofactor binding studies on PaoD showed that the protein is able to discriminate between molybdenum and tungsten bound to the molybdenum cofactor, since only a Mo-MPT form of the cofactor remained bound to PaoD. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1371/journal.pone.0087295 SN - 1932-6203 VL - 9 IS - 1 PB - PLoS CY - San Fransisco ER - TY - JOUR A1 - Badalyan, Artavazd A1 - Yoga, Etienne Galemou A1 - Schwuchow, Viola A1 - Pöller, Sascha A1 - Schuhmann, Wolfgang A1 - Leimkühler, Silke A1 - Wollenberger, Ursula T1 - Analysis of the interaction of the molybdenum hydroxylase PaoABC from Escherichia coli with positively and negatively charged metal complexes JF - Electrochemistry communications : an international journal dedicated to rapid publications in electrochemistry N2 - An unusual behavior of the periplasmic aldehyde oxidoreductase (PaoABC) from Escherichia coil has been observed from electrochemical investigations of the enzyme catalyzed oxidation of aromatic aldehydes with different mediators under different conditions of ionic strength. The enzyme has similarity to other molybdoenzymes of the xanthine oxidase family, but the catalytic behavior turned out to be very different. Under steady state conditions the turnover of PaoABC is maximal at pH 4 for the negatively charged ferricyanide and at pH 9 for a positively charged osmium complex. Stopped-flow kinetic measurements of the catalytic half reaction showed that oxidation of benzaldehyde proceeds also above pH 7. Thus, benzaldehyde oxidation can proceed under acidic and basic conditions using this enzyme, a property which has not been described before for molybdenum hydroxylases. It is also suggested that the electron transfer with artificial electron acceptors and PaoABC can proceed at different protein sites and depends on the nature of the electron acceptor in addition to the ionic strength. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - Electron transfer KW - Multi-cofactor enzymes KW - Molybdoenzymes KW - Aldehyde oxidoreductase Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1016/j.elecom.2013.09.017 SN - 1388-2481 SN - 1873-1902 VL - 37 SP - 5 EP - 7 PB - Elsevier CY - New York ER -