Synthese von kompatiblen Soluten mit Saccharosephosphorylase

Kompatible Solute sind eine Klasse von niedermolekularen chemischen Verbindungen, welche von Mikroorganismen und verschiedensten Zelltypen hergestellt werden, um sich selbst gegen den negativen Einfluss von exogenen Stressfaktoren zu schützen. Sie werden oft als Osmolyte bezeichnet, da eine der wichtigsten Funktionen von kompatiblen Soluten in der Physiologie der Zelle der Schutz gegen hohe externe Konzentrationen an Salz oder Zucker ist. Organismen, die unter extremen Bedingungen hinsichtlich Temperatur, pH Wert oder Salzkonzentration leben, weisen ein besonders reichhaltiges Spektrum an kompatiblen Soluten auf. Viele dieser oft als "Extremolyte" bezeichneten Substanzen haben eine glykosidische Struktur und scheinen sehr spezifisch für den extremophilen Lebensstil zu sein. Die Glykoside bestehen aus einem Zuckerteil, meist D-Glucose oder D- Mannose, und einem weiteren Molekül, welches häufig von der Grundstruktur des Glyzerins abgeleitet ist. Eine Reihe von Studien haben gezeigt, dass diese natürlichen Glykoside außergewöhnlich gute Stabilisatoren von Zellen oder deren makromolekularer Bestandteile sind. Technologische Anwendungen, die sich unmittelbar aus diesen Fähigkeiten ableiten lassen, sind die Stabilisierung von biopharmazeutischen Proteinen während der Aufarbeitung und Formulierung, die Konservierung von Zellen und Geweben, und die Verwendung als Hautfeuchtigkeitsspender und Stabilisator in kosmetischen Produkten. Trotz des klaren Potenzials für die Anwendung und Kommerzialisierung gibt es derzeit keine technologisch reifen Prozesse für die Herstellung dieser funktionellen Glykoside. Die chemische Synthese des natürlich vorkommenden Isomers ist aufwändig und daher (zu) teuer. Die Kapazität des Biosyntheseweges ist für technologische Anwendungen zu niedrig. Es wird daher in diesem Projekt ein biokatalytischer Ansatz vorgeschlagen, wobei natürliche und maßgeschneiderte Formen des Enzyms Saccharosephosphorylase eingesetzt werden sollen, um durch Transglykosylierung die drei am häufigsten beschriebenen Glykoside in hoher Reinheit und Ausbeute herzustellen: alpha-Glucosylglycerat; alpha- Mannosylglycerat; alpha-Mannosylglyceramid. Das Enzym bietet auch die Möglichkeit, die glykosidischen Produkte chemisch zu diversifizieren, sodass somit eventuell neue Funktionalitäten erschlossen werden können. Strukturgeleitetes Proteinengineering und gerichtete Evolution der Phosphorylase werden verwendet, um optimale Katalysatoren für den Synthesezweck zu erhalten.

Kompatible Solute sind eine Klasse von niedermolekularen chemischen Verbindungen, welche von Mikroorganismen und verschiedensten Zelltypen intrazellulär angehäuft werden, um sich gegen den negativen Einfluss von exogenen Stressfaktoren zu schützen. Eine ihrer wichtigsten physiologischen Funktionen ist der Schutz gegen hohe externe Konzentrationen an Salz oder Zucker. Organismen, die unter extremen Umweltbedingungen leben, weisen zumeist ein besonders reichhaltiges Spektrum an kompatiblen Soluten auf. Häufig zeigen deren kompatible Solute eine glykosidische Struktur und scheinen sehr spezifisch für den extremophilen Lebensstil zu sein. Die Glykoside bestehen aus einem Zuckerteil, meist D-Glucose oder D-Mannose, und einem weiteren Molekül, welches häufig von der Grundstruktur des Glyzerins abgeleitet ist. Eine Reihe von Studien haben gezeigt, dass diese natürlichen Glykoside außergewöhnlich gute Stabilisatoren von Zellen oder deren makromolekularer Bestandteile sind. Technologische Anwendungen, die sich unmittelbar aus diesen Fähigkeiten ableiten lassen, sind die Stabilisierung von biopharmazeutischen Proteinen während der Aufarbeitung und Formulierung, die Konservierung von Zellen und Geweben, und die Verwendung als Hautfeuchtigkeitsspender und Stabilisator in kosmetischen Produkten. Trotz des klaren Potenzials für die Anwendung und Kommerzialisierung gibt es derzeit keine technologisch reifen Prozesse für die Herstellung dieser funktionellen Glykoside. Die chemische Synthese der natürlich vorkommenden Verbindungen ist aufwändig und daher (zu) teuer. Die Kapazität des Biosyntheseweges ist für technologische Anwendungen zu niedrig. In diesem Projekt wurde die wissenschaftlich technologische Basis für hocheffiziente biokatalytische Synthesen von zwei prototypischen kompatiblen Soluten, Glucosylglyzerat und Glukosylglyzeramid, entwickelt. Ausgehend von einfachen Rohstoffen wie Saccharose und Folgeprodukten des Glyzerins werden mit dem Saccharosephosphorylase die gewünschten Produkte in hoher Reinheit und Ausbeute hergestellt. Neue Methoden zur enzymatischen Herstellung von Zuckerderivaten basierend auf Zucker und Phosphat Transferreaktionen wurden entwickelt.