S-layer proteins and exoenzymes : about self-assembly and cell wall binding

Oberflächenschicht (S-layer) Proteine sind weit verbreitet und kommen in vielen verschiedenen Arten vor. Oft bilden sie die äußerste Barriere der Zellen zur Umwelt. Dadurch sind sie prädestiniert besondere Aufgaben zu erfüllen. In dieser Arbeit betrachteten wir die sogenannte SLH (surface layer homology) Domäne von S-layer Proteine und Exoenzymen, die einen der wichtigsten Vertreter in der Zellwand Bindung von Gram-positiven Bakterien, darstellt. Das Ziel war die biophysikalische Charakterisierung sowie die Kristallisierung von vier verschiedenen SLH Domänen. Dabei erhielten wir folgende Resultate. Die SLH Domäne von Lysinibacillus sphaericus JG-A12 Protein slfB war unvollständig. Die SLH Domäne von zwei Enzymen aus Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes EM1 mit den Namen AmyB und XynA zeigten einen starken Hang zur Aggregation, was zu Problemen in der Reinigung und der Kristallisation führte. Zum Schluss gab es noch die SLH Domäne einer bisher nicht charakterisierten Bacillus Art, die eine starke Dimer Bildung sowie unstrukturierte Bereich aufwies. Außerdem erforschten wir die Aufgabe von Kalzium Ionen im Selbstassemblierungsprozess von SbsC, einem Protein aus Geobacillus stearothermophilus. In SbsB, einem Protein das ebenfalls aus Geobacillus stearothermophilus stammt, wurde die Beteiligung von Ca2+ Ionen am Selbstassemblierungsprozess, bereits nachgewiesen. Es fungiert dabei als intermolekulares Verbindungstück zwischen zwei Molekülen. Um zu beweisen ob Kalzium auch bei SbsC am Selbstassemblierungsprozess beteiligt ist, wurden zuerst einige Tests am Wildtyp Protein gemacht, sowie einigen Mutanten. Eine Aufgabe von Kalzium wie im Fall von SbsB konnte nicht nachgewiesen werden. Wir gehen eher davon aus, dass Kalzium, die zur Selbstassemblierung, benötigten Teile des Proteins stabilisiert.Surface layer proteins (S-layers) are found in many different species. Since they are the outermost barrier against environment they fulfil functions, such as protection, cell adhesion and act as virulence factors. They are able to self-assemble into regular arrays. Furthermore, they are able to bind to the cell wall in a non-covalent way. These characteristics make them important for bionanotechnological applications. In this work we investigated the so called SLH (surface layer homology) domain, which is often used to attach S-layers or exoenzymes to the cell wall of Gram-positive bacteria. Our goal was the biophysical characterization and crystallization of four different SLH domains. The following results were obtained. The SLH domain of Lysinibacillus sphaericus JG-A12 S-layer protein slfB was incomplete. Two SLH domains of Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes EM1 proteins AmyB and XynA showed aggregation, which caused problems during purification and crystallization. The SLH domain B12 from an unknown Bacillus species showed strong dimerization and unstructured regions. A further major part of my work was to investigate the role of Ca2+ ions in the self-assembly process of SbsC, a S-layer protein derived from Geobacillus stearothermophilus. In SbsB an involvement of Ca2+ ions was already observed. Ca2+ ions were found to act as intermolecular linker. Different experiments were done to find out about the role of calcium in SbsC. EDTA or calcium were added to the wild type protein to find out about their impact on self-assembly. Later, different mutants were produced with the goal of abolishing self-assembly by preventing the binding of Ca2+ ions. Results show no evidence of direct involvement of calcium. Calcium rather fulfils a function of stabilizing loops, which participate in intermolecular interactions and are therefore important for self-assembly.Markus EderZsfassungen in dt. und engl. SpracheGraz, Univ., Masterarb., 2014(VLID)37624