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Die Metagenomik für die Entdeckung biokatalytischer Enzyme

Bei der Biokatalyse werden natürliche Katalysatoren als Enzyme zur Durchführung von chemischen Umwandlungen an organischen Verbindungen verwendet. Ein europäisches Projekt zielte darauf ab, neue Biokatalysatoren aus thermophilen Bakterien zu gewinnen und diese zu beschreiben.
Die Metagenomik für die Entdeckung biokatalytischer Enzyme
Die Verwendung biokatalytischer Enzyme wie Transaminasen (TAs) in der Chemie- und Pharmaindustrie ist in den vergangenen Jahren angestiegen. Transaminasen katalysieren den Transfer einer Aminogruppe von einem Donor-Amino-Molekül zu einem Amino-Akzeptor-Molekül. Sie stellen eine Option für die Synthese chiraler Amine dar, die als Bausteine für die Synthese unterschiedlicher pharmazeutischer Stoffverbindungen dienen.

Bei den meisten industriellen Prozessen sind hohe Temperaturen erforderlich. Die Verwendung thermostabiler Enzyme wäre dabei behilflich, den Prozess zu vereinfachen und gleichzeitig energieaufwändige Schritte für die Kühlung und Wiederaufwärmung zu vermeiden. Das Konzept des EU-geförderten Projekts HOTRAM (Thermostable transaminases for the synthesis of pharmaceutical building blocks) bestand insgesamt in der Entdeckung einer neuen Generation thermostabiler TAs aus warmen Umgebungen unter Anwendung von Metagenomik.

Die Metagenomik (Umweltgenomik oder Genomik von Lebensgemeinschaften) ist die Untersuchung von genetischem Material, das direkt aus der gesamten Umweltprobe gewonnen wird.  Die Metagenomik ist ein leistungsstarkes Instrument für die Entdeckung von Enzymen, da sie einen Zugriff auf die Mehrzahl der nicht beschriebenen Mikroben in sämtlichen Habitaten ermöglicht.

Zu Beginn des Projekts wurden Bakterienkulturen aus neun Umweltproben aufbereitet, die in Island bei Temperaturen zwischen 50 und 90 °C gesammelt worden waren. Die metagenomische DNA wurde aus Proben entnommen und die entsprechende Expressionsbibliothek wurde erstellt. Die Bibliotheken wurden unter Anwendung entwickelter Assays untersucht, es konnten jedoch keine positiven Klone entdeckt werden.

Parallel dazu führten In-silico-Methoden zu drei neuen TAs und die Proteine wurden im Anschluss gereinigt. Die Aktivität dieser Enzyme wurde unter Anwendung spektrophotometrischer Assays bei unterschiedlichen Temperaturen beurteilt.

Es wurden erfolgreich neue thermostabile TAs mit großer Substratspezifität entdeckt und auf die Synthese von chiralen Aminen in einem industriellen Maßstab hin getestet. Bedeutsamerweise haben die Ergebnisse des Projekts weitreichende Implikationen für die aktuelle Herstellung chiraler Amine, an der verschmutzende Stoffe, d. h. Metallkatalysatoren, beteiligt sind. Die Einführung biokatalytischer Methoden könnte dazu beitragen, die Umweltauswirkungen synthetischer industrieller Prozesse zu verringern.

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Schlüsselwörter

Metagenomik, Biokatalyse, Transaminase, thermostabile Enzyme, HOTRAM
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