Struktur und Funktion archetypischer Glykosyltransferasen

Kohlenhydrate stellen einer Gruppe von Biomolekülen dar, die sich durch enorme strukturelle Komplexität und funktionelle Vielfalt auszeichnen. Der breiteren Öffentlichkeit sind sie, oft einfach `Zucker` genannt, dadurch bekannt, dass sie wichtige Energieträger der menschlichen Nahrung darstellen und in vielen Fällen einen süßen Geschmack aufweisen. Neben der Funktion im primären Stoffwechsel spielen Kohlenhydrate aber weitere äußerst wichtige Rollen in der Physiologie der Zelle und stellen oft die Basis für Prozesse der biologischen Erkennung und Kommunikation dar. Das riesige Potenzial der Kohlenhydrate, als Träger biologischer Information zu fungieren, hat zur Definition des Begriffs der `Glykogenomik` geführt, die von vielen Forschern als eines der letzten Grenzgebiete der Molekular- und Zellbiologie angesehen wird. Unter der Gruppe an Enzymen, welche Transformationen an Kohlenhydraten katalysieren, stellen jene, die einzelne Monosaccharid-Einheiten in spezifischer Weise zu komplexeren Strukturen, sogenannten Oligosacchariden, miteinander chemisch verknüpfen, wohl die größte Herausforderung dar. Man klassifiziert diese Enzyme funktionell als Glykosyltransferasen (GT). Die strukturelle Vielfalt unter den bekannten GTs in Bezug auf Sequenz und Modularität im dreidimensionalen Aufbau reflektiert die Komplexität der Strukturen der von GTs hergestellten Reaktionsprodukte. Um nun die neugewonnenen Daten aus der Genomik in funktionelle Information über GTs hinsichtlich Struktur, Spezifität und Mechanismus zu translatieren, ist es nötig, ein besseres Wissen über die Wechselbeziehungen von Struktur und Funktion innerhalb dieser großen Gruppe an Enzymen zu besitzen. Das beantragte Projekt leistet hierzu einen wichtigen Beitrag, in dem es eine repräsentative Gruppe von GTs, die sogenannten Phosphorylasen, untersucht. Wir wollen das Genom des hyperthermophilen Archaeons Sulfolobus solfataricus als Quelle für neue und archetypische Varianten von Glykogenphosphorylase und Trehalosephosphorylase, zwei GTs aus dem primären Kohlenhydratstoffwechsel, nutzen. Die beiden Phosphorylasen aus S. solfataricus sowie ausgewählte, durch gerichtete Mutation veränderte Versionen der Enzyme werden durch detaillierte biochemische und mechanistische Studien charakterisiert, und die Eigenschaften mit nahe und fern verwandten Enzymen aus anderen Quellen verglichen. Der gewählte Ansatz ermöglicht die Extrapolation von molekularer Information auf verwandte, aber noch nicht charakterisierte GTs und wird dadurch Strategien zur gezielten Nutzbarmachung der genomischen Information im Hinblick auf Struktur und Funktion von Vertretern der GTs aufzeigen.

Kohlenhydrate stellen eine Gruppe von Biomolekülen dar, die sich durch enorme strukturelle Komplexität und funktionelle Vielfalt auszeichnen. Der breiteren Öffentlichkeit sind sie, oft einfach `Zucker` genannt, dadurch bekannt, dass sie wichtige Energieträger der menschlichen Nahrung darstellen und in vielen Fällen einen süßen Geschmack aufweisen. Neben der Funktion im primären Stoffwechsel spielen Kohlenhydrate aber weitere äußerst wichtige Rollen in der Physiologie der Zelle und stellen oft die Basis für Prozesse der biologischen Erkennung und Kommunikation dar. In der Synthese von komplexen Kohlenhydraten sind vor allem jene Enzyme wichtig, die einzelne Monosaccharid-Einheiten in spezifischer Weise zu größeren Strukturen, sogenannten Oligosacchariden, durch chemische Verknüpfung zusammenbauen. Man klassifiziert diese Enzyme funktionell als Glykosyltransferasen. Phosphorylasen sind eine spezielle Gruppe von Glykosyltransferasen, die vor allem in Mikroorganismen weite Verbreitung haben. Arbeiten der letzten Jahre haben gezeigt, dass Phosphorylasen hochinteressante Katalysatoren für die biotechnologische Synthese von Oligosacchariden darstellen. In diesem Projekt wurde verschiedene Phosphorylasen hinsichtlich ihrer biochemischen Eigenschaften und ihres katalytischen Mechanismus charakterisiert. Die Arbeiten lieferten unter anderem einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung eines enzymatischen Prozesses für die Herstellung von Glucosylglycerin, einem natürlichen Stressschutzmolekül für den Einsatz in Kosmetika.