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Advanced bioinformatics for genome and metagenome analyses and discovery of novel biocatalists from extremophiles: implications for improving industrial bioprocesses

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Kälteangepasste Proteine stärken den Frostschutz

Organismen, die extrem kalten Temperaturen ausgesetzt sind, haben unterschiedliche Anpassungsstrategien für ihr Überleben entwickelt. Europäische Wissenschaftler untersuchten die molekularen Netzwerke, die für diesen ökologischen Übergang verantwortlich sind, und entdeckten neue Enzyme mit potenziellem industriellen Wert.

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Kälteangepasste Enzyme, die bei niedrigen Temperaturen eine hohe spezifische Aktivität behalten, sind für verschiedene biotechnologische Anwendungen von Interesse, wie zum Beispiel die Entwicklung von Reinigungsmitteln und die Lebensmittelverarbeitung. Eisbindende Proteine schützen Organismen in kalten Lebensräumen vor Einfrieren oder Gefrierbrand, indem sie die Bildung von Eiskristallen hemmen. Diese Proteine können in der Industrie als Frostschutzmittel eingesetzt werden. Kombination von Systembiologie und Bioinformatik Das Forschungsprojekt MeTABLE, das mit Unterstützung durch das Marie-Curie-Programm durchgeführt wurde, war ein Kooperationsvorhaben mit dem Ziel, neue Einsichten in den Mechanismus der Anpassung von Organismen zu gewinnen, die in kalten Umgebungen leben. Industrielle und wissenschaftliche Partner kombinierten Ansätze der Bioinformatik, Molekularbiologie und Biochemie, um Werkzeuge für die Genomanalyse und gerichtete Evolution von Enzymen aus antarktischen Mikroben zu entwickeln. „Die Idee war, biologisch aktive Moleküle aus kälteangepassten Mikroorganismen zu charakterisieren und herzustellen“, erklärt Projektkoordinatorin Dr. Sandra Pucciarelli. Die Forscher analysierten und annotierten genomische Sequenzen von psychrophilen und mesophilen Protozoen und entwickelten neue Werkzeuge für die Genomanalyse von Mikroorganismen aus extremen Umgebungen. Die Untersuchung extremophiler metabolischer Stoffwechselwege half den wissenschaftlichen Teams, die Anpassung der Umwelt an Bedingungen unter Null Grad zu verstehen und neuartige Enzyme für industrielle Zwecke zu nutzen. Aufdeckung des Makropotenzials Bakterienstämme wie die der Bakteriengattung Marinomonas, die aus antarktischen Meeresökosystemen isoliert wurden, zeigten die Fähigkeit, organisches Material im Meeresboden zu recyceln und Sekundärmetaboliten zu erzeugen. Die Forscher enthüllten insbesondere das Vorhandensein von Stoffwechselwegen, die aromatische Verbindungen als alternative Kohlenstoffquellen oder andere Schadstoffe zur Herstellung von Antibiotika nutzen. Diese Entdeckung deutete auf die mögliche Verwendung dieser Bakteriengattung zu Zwecken der Bioremediation und zur Herstellung bioaktiver Moleküle hin. Amylasen hydrolysieren Stärke und machen mit zahlreichen industriellen Anwendungen etwa 30 % des Weltmarktes für Enzyme aus. Im Rahmen von MeTABLE isolierten die Wissenschaftler Amylasen mit hoher Aktivität bei niedrigen Temperaturen aus dem antarktischen Protozoon Euplotes focardii. Mithilfe von Molekulartechnik haben sie die Stabilität dieser Enzyme erfolgreich verbessert, wodurch sie nun weniger thermolabil und besser für industrielle Anwendungen geeignet sind. Ein Teil des Projekts befasste sich zudem mit der Familie der Superoxid-Dismutase-Enzyme, die zur Entgiftung von oxidativem Stress beitragen. Die biochemische Charakterisierung dieser Moleküle lieferte dabei wichtige Einblicke in ihre Wirkungsweise. Biotechnologischer Wert von MeTABLE-Entdeckungen Insgesamt führte die im Rahmen von MeTABLE durchgeführte Forschung zur Charakterisierung von Biomolekülen, die bei niedrigen Temperaturen, hoher Salzkonzentration oder extremen pH-Bedingungen funktionieren und an der Anpassung an extreme Umgebungen beteiligt sind. Diese Moleküle können für industrielle oder alltägliche Anwendungen wie Lebensmittelverarbeitung, Lebensmittelkonservierung und Antibiotika von Interesse sein. Im Vergleich zu mesophilen oder thermophilen Homologen senken insbesondere kälteangepasste Enzyme den Energieverbrauch bei katalysierten Reaktionen und bieten offensichtliche wirtschaftliche Vorteile. Darüber hinaus haben die Entdeckungen unter MeTABLE zu neuartigen patentierten Produkten mit großem Vermarktungspotenzial geführt. Neue Anwendungen, darunter Anlagen zur Wasserreinigung und Gesundheitswesen, haben erhebliche Auswirkungen auf den Alltag europäischer Bürgerinnen und Bürger. Wichtig ist, dass das Projekt die Sichtbarkeit der Partner in der Wissenschaftsgemeinschaft erhöht und die Grundlage für neue Kooperationen mit der Industrie geschaffen hat. Dr. Pucciarelli glaubt, dass „Proteinengineering durch rationales Design und gerichtete Evolution der Weg der Zukunft ist, um die Eigenschaften von Enzymen an die Anforderungen verschiedener Anwendungen anzupassen.“

Schlüsselbegriffe

MeTABLE, Protein, kälteangepasste Enzyme, Bioinformatik, extreme Umgebung, Stoffwechsel, gerichtete Evolution, eisbindende Proteine, Amylase, Bioremediation

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