Das fehlende Bindeglied zu synthetischem Agar

Agar besteht aus vielen aneinanderhängenden Untereinheiten des Zuckers Galaktose. Agar wird als Geliermittel in der Lebensmittelherstellung und auch in der medizinischen und mikrobiellen Forschung eingesetzt. Speziell in der Lebensmittelherstellung wird Agar als veganer Ersatz für Gelatine gerne verwendet. Die Herstellung von Agar erfolgt aus den Zellwänden von Rotalgen durch Extraktion mit heißem Wasser. Diese Rotalgen werden weltweit an den Küstengebieten aller fünf Kontinente geerntet. Abhängig von der Herkunft und Art der geernteten Rotalge kann die Qualität und die Eigenschaften des hergestellten Agars sehr stark schwanken. Die Menge der geernteten Rotalgen als natürliche Ressource ist begrenzt und kann den jährlichen Bedarf an Agar nur knapp decken. Daher ist es wünschenswert eine Alternative zur Herstellung von Agar zu entwickeln. Dazu muss man verstehen wie Agar in der Rotalge hergestellt wird, und jeden Schritt der Biosynthese von Agar kennen. Die meisten Schritte dieses Syntheseweges sind bereits bekannt. Ein entscheidender Schritt in diesem Weg ist allerdings völlig unbekannt. Es ist der Schritt in dem die Galaktose Einheiten zu einer langen Kette verknüpft werden um ein Agar Molekül zu formen. Diese Verknüpfung wird durch ein Enzym bewerkstelligt, das man Galaktosyltransferase nennt. Das Ziel dieses Projektes ist es diese Galaktosyltransferase zu identifizieren und mehr über seine Lokalisierung und Aktivität in der Rotalge herauszufinden. Zur Identifizierung werden computergestützte bioinformatische und experimentelle biochemische Arbeitsmethoden angewandt. Mittels Bioinformatik durchsucht man das Genom der Agar produzierenden. Um die durch Bioinformatik identifizierten Enzyme nachzuweisen oder zusätzliche Enzyme zu finden wird mit biochemischen Arbeitsmethoden der sogenannte Golgi Apparat der Rotalgen isoliert und aufgereinigt. Die Galaktosyltransferasen sind, der allgemeinen wissenschaftlichen Meinung nach, mit dem Golgi Apparat assoziiert oder sogar darin enthalten. Der endgültige Test der Galaktosyltransferase Aktivität erfolgt durch die Überproduktion der gefundenen Enzyme in Hefe. Die so erzeugten Enzyme können aus der Hefe isoliert und auf Ihre Aktivität hin charakterisiert werden. Sobald eine oder mehrere Galaktosyltransferasen identifiziert und charakterisiert sind, eröffnet dies die Möglichkeit Agar herzustellen, der nicht ausschließlich auf die natürliche und limitierte Ressource der Rotalgen zurückgreift und zusätzlich auf spezielle Anforderungen zugeschnitten werden kann.

Zusammenfassung TAI_515_B Das fehlende Bindeglied zu synthetischem Agar Das Hauptziel dieses Projekts bestand darin, mögliche Galactosyltransferasen zu identifizieren, die für die Biosynthese von Agar in Rotalgen verantwortlich sind Agar besteht aus vielen miteinander verbundenen Untereinheiten des Zuckers Galaktose. Agar wird als Geliermittel in der Lebensmittelproduktion sowie in der medizinischen und mikrobiellen Forschung eingesetzt. Besonders beliebt ist Agar als veganer Ersatz für Gelatine in der Lebensmittelproduktion. Agar wird aus den Zellwänden von Rotalgen durch Extraktion mit heißem Wasser hergestellt. Diese Rotalgen werden weltweit in den Küstengebieten aller fünf Kontinente geerntet. Je nach Herkunft und Art der geernteten Rotalgen können Qualität und Eigenschaften des hergestellten Agars stark variieren. Die Menge an Rotalgen als natürliche Ressource ist begrenzt und die Ernte kann den Jahresbedarf an Agar nur knapp decken. Daher ist es wünschenswert, eine Alternative zu entwickeln, die die biotechnologische Herstellung von Agar ermöglicht. Dazu muss man verstehen, wie Agar in Rotalgen hergestellt wird, und jeden Schritt der Agar-Biosynthese kennen. Die meisten Schritte dieser Syntheseroute sind bereits bekannt. Ein entscheidender Schritt auf diesem Weg ist jedoch völlig unbekannt. Dabei handelt es sich um den Schritt, bei dem die Galaktoseeinheiten zu einer langen Kette verknüpft werden, um ein Agarmolekül zu bilden. Diese Verknüpfung wird durch ein Enzym namens Galactosyltransferase katalysiert. Ziel dieses Projekts war es, diese Galaktosyltransferase zu identifizieren und mehr über ihre Lokalisierung und Aktivität in Rotalgen herauszufinden. Zur Identifizierung kamen computergestützte Bioinformatik und experimentelle biochemische Methoden zum Einsatz. Mittels Bioinformatik wurde das Genom der Agar-produzierenden Rotalgenart Gracilaria chorda durchsucht. Die Kombination von Bioinformatik und Proteinidentifizierung basierend auf der Isolierung des Golgi-Apparats aus Gracilaria chorda ermöglichte die Identifizierung von 20 Kandidatengenen, von denen wiederum drei gefunden wurden, bei denen es sich wahrscheinlich um Galactosyltransferasen handelte und sie im Golgi-Apparat lokalisiert waren. Diese drei Kandidaten wurden für die Expression in der Hefe Pichia pastoris ausgewählt, um ihr Potenzial zur Produktion von Agaroseketten zu bewerten. Darüber hinaus ergab die gleiche Analyse das Vorhandensein von vier Kandidatengenen, die für spezielle Galaktose-Transporterproteine kodieren, die den Transport von aktivierter Galaktose zum Golgi-Apparat vermitteln, um das Substrat für die Agarsynthese an der richtigen Stelle bereitzustellen. Aus diesen Experimenten schließen wir, dass mehr als eine Galactosyltransferase eine zentrale Rolle bei der Agarproduktion spielt. Vermutlich polymerisieren zwei oder mehr Galaktosyltransferasen die Galaktosekette, die dann sulfatiert und anschließend entsulfatiert werden muss, um echten Gelieragar herzustellen. Sobald die Kandidatenenzyme eingegrenzt sind, sollte es möglich sein, Agar in Hefe herzustellen.