Enzymes with radical tendencies: the PFL family

The first glycyl radical in an enzyme was described 20 years ago and since then the family of glycyl radical enzymes (GREs) has expanded to include enzymes catalysing five chemically distinct reactions. The type enzymes of the family, anaerobic ribonucleotide reductase (RNRIII) and pyruvate formate lyase (PFL) had been studied long before it was known that they are GREs. Spectroscopic measurements on the radical and an observation that exposure to oxygen irreversibly inactivates the enzymes by cleavage of the protein proved that the radical is located on a particular glycine residue, close to the C-terminus of the protein. Both anaerobic RNRIII and PFL, are important for many anaerobic and facultative anaerobic bacteria as RNRIII is responsible for the synthesis of DNA precursors and PFL catalyses a key metabolic reaction in glycolysis. The crystal structures of both were solved in 1999 and they revealed that, although the enzymes do not share significant sequence identity, they share a similar structure - the radical site and residues necessary for catalysis are buried inside a ten stranded $\ualpha $/$\ubeta $-barrel. GREs are synthesised in an inactive form and are post-translationally activated by an activating enzyme which uses S-adenosyl methionine and an iron-sulphur cluster to generate the radical. One of the goals of this thesis work was to crystallise the activating enzyme of PFL. This task is challenging as, like GREs, the activating component is inactivated by oxygen. The experiments were therefore carried out in an oxygen free atmosphere. This is the first report of a crystalline GRE activating enzyme. Recently several new GREs have been characterised, all sharing sequence similarity to PFL but not to RNRIII. Also, the genome sequencing projects have identified many PFL-like GREs of unknown function, usually annotated as PFLs. In the present thesis I describe the grouping of these PFL family enzymes based on the sequence similarity and analyse the conservation patterns when compared to the structure of E. coli PFL. Based on this information an activation route is proposed. I also report a crystal structure of one of the PFL-like enzymes with unknown function, PFL2 from Archaeoglobus fulgidus. As A. fulgidus is a hyperthermophilic organism, possible mechanisms stabilising the structure are discussed. The organisation of an active site of PFL2 suggests that the enzyme may be a dehydratase. Keywords: glycyl radical, enzyme, pyruvate formate lyase, x-ray crystallography, bioinformatics

Desorptio/fotoionisaatio ilmanpaineessa takavarikoitujen huumausaineiden, steroidien ja räjähdysaineiden tutkimuksessa

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää desorptio/fotoionisaatio ilmanpaineessa tekniikan (engl. desorption atmospheric pressure photoionization, DAPPI) soveltuvuutta rikosteknisen laboratorion näytteiden analysointiin. DAPPI on nopea massaspektrometrinen ionisaatiotekniikka, jolla voidaan tutkia yhdisteitä suoraan erilaisilta pinnoilta. DAPPI:ssa käytetään lämmitettyä mikrosirua, joka suihkuttaa höyrystynyttä liuotin- ja kaasuvirtausta kohti näytettä. Näytteen pinnan komponentit desorboituvat lämmön vaikutuksesta, jonka jälkeen ionisoituminen tapahtuu VUV-lampun emittoimien fotonien avulla.DAPPI:lla tutkittiin takavarikoituja huumausaineita, anabolisia steroideja ja räjähdysaineita sekä niiden jäämiä erilaisilta pinnoilta. Lisäksi kartoitettiin DAPPI:n mahdollisuuksia ja rajoituksia erilaisille näytematriiseille ilman näytteiden esikäsittelyä. Takavarikoitujen huumausaineiden tutkimuksessa analysoitiin erilaisia tabletteja, jauheita, kasvirouheita, huumekasveja (khat, oopium, kannabis) ja sieniä. Anabolisia steroideja tunnistettiin tableteista sekä ampulleista, jotka sisälsivät öljymäistä nestettä. Jauheet ripoteltiin kaksipuoliselle teipille ja analysoitiin siltä. Muut näytteet analysoitiin sellaisenaan ilman minkäänlaista esikäsittelyä, paitsi nestemäisten näytteiden kohdalla näyte pipetoitiin talouspaperille, joka analysoitiin DAPPI:lla. DAPPI osoittautui nopeaksi ja yksinkertaiseksi menetelmäksi takavarikoitujen huumausaineiden ja steroidien analysoimisessa. Se soveltui hyvin rikoslaboratorion erityyppisten näytteiden rutiiniseulontaan ja helpotti erityisesti huumekasvien ja öljymäisten steroidiliuosten tutkimusta. Massaspektrometrin likaantuminen pystyttiin ehkäisemään säätämällä näytteen etäisyyttä sen suuaukosta. Likaantumista ei havaittu huolimatta näytteiden korkeista konsentraatioista ja useita kuukausia jatkuneista mittauksista. Räjähdysaineiden tutkimuksessa keskityttiin seitsemän eri räjähdysaineen DAPPI-MS-menetelmän kehitykseen; trinitrotolueeni (TNT), nitroglykoli (NK), nitroglyseriini (NG), pentriitti (PETN), heksogeeni (RDX), oktogeeni (HMX) ja pikriinihappoä Nämä orgaaniset räjähteet ovat nitraattiyhdisteitä, jotka voidaan jakaa rakenteen puolesta nitroamiineihin (RDX ja HMX), nitroaromaatteihin (TNT ja pikriinihappo) sekä nitraattiestereihin (PETN, NG ja NK). Menetelmäkehityksessä räjähdysainelaimennokset pipetoitiin polymetyylimetakrylaatin (PMMA) päälle ja analysoitiin siitä. DAPPI:lla tutkittiin myäs autenttisia räjähdysainejäämiä erilaisista matriiseista. DAPPI:lla optimoitiin jokaiselle räjähdysaineelle sopiva menetelmä ja yhdisteet saatiin näkymään puhdasaineina. Räjähdysainejäämien analysoiminen erilaisista rikospaikkamateriaaleista osoittautui haastavammaksi tehtäväksi, koska matriisit aiheuttivat itsessään korkean taustan spektriin, josta räjähdysaineiden piikit eivät useimmiten erottuneet tarpeeksi. Muut desorptioionisaatiotekniikat saattavat soveltua paremmin haastavien räjähdysainejäämien havaitsemiseksi.