Lanmodulin: A Highly Selective Lanthanide-Binding Protein from a Lanthanide-Utilizing Bacterium

Abstract

Lanthanides (Lns) have been shown recently to be essential cofactors in certain enzymes in methylotrophic bacteria. Here we identify in the model methylotroph, Methylobacterium extorquens, a highly selective LnIII-binding protein, which we name lanmodulin (LanM). LanM possesses four metal-binding EF hand motifs, commonly associated with CaII-binding proteins. In contrast to other EF hand-containing proteins, however, LanM undergoes a large conformational change from a largely disordered state to a compact, ordered state in response to picomolar concentrations of all LnIII (Ln = La–Lu, Y), whereas it only responds to CaII at near-millimolar concentrations. Mutagenesis of conserved proline residues present in LanM’s EF hands, not encountered in CaII-binding EF hands, to alanine pushes CaII responsiveness into the micromolar concentration range while retaining picomolar LnIII affinity, suggesting that these unique proline residues play a key role in ensuring metal selectivity in vivo. Identification and characterization of LanM provides insights into how biology selectively recognizes low-abundance LnIII over higher-abundance CaII, pointing toward biotechnologies for detecting, sequestering, and separating these technologically important elements.

Biochemical and Structural Characterization of XoxG and XoxJ and Their Roles in Lanthanide‐Dependent Methanol Dehydrogenase Activity

“…Recently, we demonstrated, using a genetically encoded fluorescent sensor for lanthanides, that only light lanthanides, La–Nd, are efficiently imported into the bacterial cytosol, a process likely facilitated by a secreted metallophore . Therefore, it appears that on multiple levels—including, at least, regulation, uptake, and trafficking,— M. extorquens is fine‐tuned to use solely light lanthanides.…”

Electrocatalysis of a Europium‐Dependent Bacterial Methanol Dehydrogenase with Its Physiological Electron‐Acceptor Cytochrome cGJ

“…[7a, 9] In addition, some XoxF-MDHsa re able to oxidise formaldehydet of ormate. [13] Further,V orholt et al reported that in the uptake of Ln by M. extorquens aT onB related transporter is likely to be involved. [7a, 11] At hird crystal structure of the La 3 + derivative of the MDH from Methylomicrobium buryatense 5GB1C was reported in 2018 by Rosenzweig and co-workers.…”

Essenziell und weitverbreitet: Lanthanoid‐Metalloproteine

“…[9, 14e] Bakterien mit beiden Genen, wie M. extorquens AM1, exprimieren Ln-MDH, wenn die Lanthanoid-Konzentration ausreichend hoch ist (Abbildung 1). [19] LanM verfügt über drei carboxylatreiche Metallbindungsstellen (EF hands), die Ln mit picomolarer Affinität binden, und eine weitere,d ie mit mikromolarer Affinität bindet. [16] Diese Flexibilitätw ird als "lanthanide switch" bezeichnet.…”

“…Martinez-Gomez, Skovran und Mitarbeiter konnten zeigen, dass eine Konzentration von 2.5 nm La ausreichte,u mxoxF-Expression zu aktivieren, während geringe Konzentrationen wie 25 nm genügten, um mxaF-Transkription zumindest teilweise zu unterbinden. [19] Eine NMR-Strukturanalyse von Lanmodulin ist verfügbar (Abbildung 2). Ein solches Umschalten zwischen Stoffwechselwegen und veränderte Genexpression bei Abwesenheit oder Vorhandensein bestimmter Elemente ist ein bekanntes Konzept fürd en Methanoxidationsschritt in Bakterien.…”

“…[2e,21] Während die Ln-Affinitätv on LanM bei In-vitro-Experimenten füra lle Lanthanoide ähnlich ist, [19] konnte gezeigt werden, dass die Wahl von Ln das Wachstum von Bakterien und die Aktivitätv on Alkohol-Dehydrogenasen beeinflusst. [2e,21] Während die Ln-Affinitätv on LanM bei In-vitro-Experimenten füra lle Lanthanoide ähnlich ist, [19] konnte gezeigt werden, dass die Wahl von Ln das Wachstum von Bakterien und die Aktivitätv on Alkohol-Dehydrogenasen beeinflusst.…”