Identification and characterization of new enzymes involved in bacterial phosphonate catabolism

Gli acidi fosfonici, o fosfonati, sono una classe di composti organofosforici caratterizzati da un legame carbonio-fosforo (C-P) chimicamente molto stabile. Negli organismi, la stabilità di questi composti viene sfruttata per coprire un'incredibile gamma di attività biologiche. Tuttavia, molti batteri hanno sviluppato anche la capacità di degradarli e utilizzarli come fonte di carbonio, azoto e fosforo, rivelando un loro ruolo significativo nei cicli biogeochimici di questi elementi acquisendo importanza ecologica. Sulla base delle conoscenze attuali, il catabolismo dei fosfonati può essere suddiviso in tre gruppi di vie enzimatiche: la via idrolitica, la via ossidativa e la via radicalica (C-P liasi). Con l'eccezione della C-P liasi, che è tanto promiscua quanto complessa, le altre sono vie specializzate per la degradazione di un solo composto. In questo lavoro, abbiamo esplorato attraverso l'analisi bioinformatica i contesti genomici dei geni che codificano per le vie idrolitiche coinvolte nella degradazione dell'acido 2-aminoetilfosfonico (2-AEP; ciliatina), con lo scopo di trovare geni frequentemente associati ad essi codificanti per proteine ancora non caratterizzate e di identificarne la loro funzione e ruolo. In particolare, abbiamo individuato quattro geni spesso associati ai cluster phnW-phnX e phnW-phnA-phnY; uno annotato automaticamente come codificante per la 4-aminobutirrato transaminasi PLP-dipendente (GABA-T) (Pfam00202) e tre, che sebbene diversi tra loro, sono annotati come ipotetica ossidoreduttasi FAD-dipendente (Pfam01266); li abbiamo chiamati PbfA, PbfB, PbfC e PbfD, rispettivamente. In questo lavoro riportiamo che l'enzima PLP-dipendente PbfA, del batterio marino Vibrio splendidus, catalizza una reazione di eliminazione sul composto naturale R-1-idrossi-2-aminoetilfosfonato (R-OH-AEP), producendo ammoniaca e fosfonoacetaldeide, e che l'enzima FAD-dipendente PbfC, del rizobatterio Azospirillum lipoferum, catalizza una reazione di ossidazione sull’ N-monometil-2-aminoetilfosfonato (MMAEP), producendo metilammina e fosfonoacetaldeide. Anche se l’ R-OH-AEP e MMAEP sono analoghi strutturali del 2-AEP, essi non possono essere processati correttamente dal percorso PhnW-PhnX (o PhnW-PhnY-PhnA). Tuttavia, la portata di queste vie specializzate è estesa dagli enzimi accessori PbfA e PbfC, che incanalano la fosfonoacetaldeide nella via principale. I risultati ottenuti in questo lavoro contribuiscono all'avanzamento nel campo del catabolismo dei fosfonati ad oggi ancora frammentato e incompleto, sottolineando che tali enzimi accessori aumentano l'utilità della comune (ma molto specifica) via idrolitica per la degradazione del 2-AEP.