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Mit Enzymtechnik Anwendungen in der Biotechnologie ankurbeln

Das Verschmelzen von Zuckern zu kleinen Molekülen im pharmazeutischen oder lebensmitteltechnischen Bereich, eine als Glykosylierung bekannte Reihe von Reaktionen, kann deren Eigenschaften stark verbessern. Eine von der EU finanzierte Initiative setzte auf eine zukunftsweisende Schlüsseltechnologie, die Biotechnologie, um neue, effiziente und umweltfreundliche Verfahren im Zusammenhang mit der Glykosylierung zu entwickeln.
Mit Enzymtechnik Anwendungen in der Biotechnologie ankurbeln
Die Glykosylierung ist ein weitverbreitetes Verfahren zur Verbesserung der Löslichkeit von gesunden Lebens- oder Arzneimittelverbindungen, womit die Aktivität bestimmter Antibiotika verstärkt oder die Eigenschaften von Aromastoffen oder Gerüchen abgestimmt werden. Die Durchführung von Glykosylierungsreaktionen auf enzymatische Weise anstelle der chemischen Synthese ist spezifischer und effizienter, umweltfreundlicher und verbraucht weniger Energie. Glykosyltransferasen (GT), jene Enzyme, die den Prozess der Glykosylierung ausführen, brauchen jedoch nukleotidaktivierte Zucker, die für industrielle Anwendungen teuer sind, um zu funktionieren.

Das EU-finanzierte Projekt SUSY hat vorgeschlagen, dieses Problem durch die Entwicklung eines kostengünstigeren mehrstufigen Verfahrens zu lösen, das auf den einzigartigen Eigenschaften dreier Typen der zuckermodifizierenden Enzyme basiert: Levansucrase, Saccharosesynthase und Glykosyltransferase. „Grundidee war, als Ausgangspunkt des Prozesses Saccharose zu benutzen, die ein sehr billiges und reichlich vorhandenes Substrat ist“, erklärt Projektkoordinator Prof. Tom Desmet. „Mit der Kombination der drei Enzyme in einer mehrstufigen Art und Weise recyceln wir die teuren Zwischenprodukte innerhalb des gesamten Prozesses, wodurch die Kosten der glykosylierten Produkte erheblich gesenkt werden“, fährt er fort.

Technisch entwickelte Enzyme mit neuen Eigenschaften

Es wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um bestimmte, mit den natürlichen Varianten der angewandten Enzyme verbundene Beschränkungen zu umgehen, beispielsweise die eingeschränkte Spezifität und begrenzte Stabilität. In diesem Zusammenhang verfolgten die Forscher umfassende molekulare technische Entwicklungen, um neue Enzymvarianten mit verbesserten Eigenschaften einschließlich einer breiter angelegten Substratspezifität zu erkennen. Sie setzten eine Fülle von Expressionssystemen zur rekombinanten Expression technisch veränderter Enzyme ein.

Überdies identifizierte man Enzymvarianten pflanzlichen und bakteriellen Ursprungs. Deren Langzeitstabilität wurde durch ergänzende Immobilisierungsprotokolle weiter erhöht. Insbesondere die Saccharosesynthase aus Acidiothiobacillus caldus, einem unter extremen Temperaturen lebendem prokaryotischen Organismus, erwies sich als der beste Kandidat für die Zwecke der technischen Weiterentwicklung. Das Enzym war bei erhöhten Temperaturen aktiv und zeigte eine verstärkte Thermostabilität sowie Promiskuität gegenüber alternativen Substraten. Eine effektive Isolierung und nachgelagerte Verarbeitung der Glykosylierungsprodukte wurde durch Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografieprotokolle realisiert.

Umweltfreundliche Verfahren

Im abschließenden Teil des Projekts wurden die gewonnenen Erkenntnisse und Informationen in Bedingungen für großtechnische Glykosylierungsverfahren mit bis zu 100 g des Produkts umgesetzt. Man führte diesen Teil in Pilotanlagen der Konsortiumspartner durch, um das wirtschaftliche Potenzial der SUSY-Technik zu demonstrieren und die anschließende Verwertung der Projektergebnisse und -technologien zu fördern. Noch wichtiger ist, dass die Forscher die Umweltauswirkungen der neu entwickelten biokatalytischen Verfahren bewertet haben, und nachgewiesen wurde, dass die genutzte Energie den ökologischen Fußabdruck des gesamten Verfahrens verkleinert.

Mit diesen Enzymen, die als wichtige Biokatalysatoren dienen und die chemische Synthese übertreffen, ist davon auszugehen, dass die Ergebnisse des SUSY-Projekts die Biotechnologieanwendungen in der Lebensmittel-, Chemie-, Pharma- und Körperpflegeindustrie verbessern und erweitern werden. In dieser Technik steckt das Potenzial für eine Erweiterung in Richtung Galacto-, Manno- und Fucosylierung, womit die Palette der synthetisierten Produkte breiter wird. Gleichzeitig wird SUSY die Entwicklung in der chemischen Industrie vorantreiben, da die Rahmenumgebung für die kostengünstige Produktion von Glykosiden geschaffen wird, was zu einem ganzen Spektrum neuer Verbindungen hinführt.

Was die Zukunft betrifft, so sieht Prof. Desmet die „Biokatalyse als tragende Säule der grünen Chemie, mit Enzymen, die aufgrund ihres geringen Energieverbrauchs und der Tatsache, dass kein giftiger Abfall anfällt, wesentliche ökologische Vorteile bieten.“

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Schlüsselwörter

SUSY, Glykosylierung, Glykosyltransferase, Enzym, Biokatalysator
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