Enzyme sind essentielle Bestandteile vieler industrieller Prozesse. Sie ermöglichen biochemische Reaktionen, die sonst bei niedrigen Temperaturen nicht stattfinden würden. In den letzten Jahren hat die Forschung die Bedeutung von kältetoleranten Enzymen erkannt, die auch bei niedrigen Temperaturen effizient arbeiten können. In diesem Artikel werden wir die Entdeckung, die molekularen Mechanismen und die industriellen Anwendungen von kältetoleranten Enzymen genauer betrachten.
Klonierung von Genen und rekombinante Expressionssysteme für kältetolerante Enzyme
Eine gängige Methode zur Gewinnung ausreichender Mengen an Enzymen für Reinigung, Charakterisierung und endgültigen Einsatz besteht darin, die Enzyme in einem heterologen Wirt zu exprimieren. Meistens werden mesophile Wirte für die heterologe Expression von Genen verwendet, die kältetolerante Enzyme kodieren. Das Problem dabei ist, dass das optimale Wachstumstemperatur dieser Mikroorganismen nicht mit der Temperatur kompatibel ist, die kältetolerante Enzyme benötigen, um ihre Struktur und ihre funktionale Aktivität zu bewahren. Eine alternative Methode, um dieses Problem in E. coli zu umgehen, besteht darin, die Inkubationstemperaturen der Zellkulturen nach der Induktion auf 18°C zu senken. Allerdings verringert dies auch das Wachstumstempo des Wirts und somit die Syntheserate des Enzyms. Hier werden wir die Standardstrategien für die Expression von kältetoleranten Enzymen zusammenfassen, gefolgt von einer umfassenden Untersuchung neuartiger Strategien zur Verbesserung der Expression von kältetoleranten Enzymen.
Die Bedeutung der Klonierung und Expression von Genen
Der Ausgangspunkt für die meisten der untersuchten Enzyme war die Isolierung eines kältetoleranten Organismus mit einer interessanten enzymatischen Aktivität. Die Hauptstrategie bei der Klonierung war die Verwendung spezifischer Primer zur Amplifikation des Gens unter Verwendung der genomischen DNA des Organismus als Vorlage. Dies ist nur möglich, wenn das Genom der Spezies (oder ein naher Verwandter) sequenziert wurde oder das Gen in der Genbank hinterlegt ist und der Mikroorganismus unter optimalen Bedingungen kultiviert werden kann. Wenn der Organismus nicht verfügbar ist oder nicht kultiviert werden kann, besteht die Alternative darin, das Gen mit einer optimalen Codonnutzung für den Wirt zu synthetisieren. Diese Methode wurde bei einigen kältetoleranten Enzymen angewendet.
Die Wahl des Expressionswirts
Bei der Wahl des Expressionswirts war E. coli mit Abstand am häufigsten vertreten. Verschiedene Genotypen wurden verwendet, aber in den meisten Fällen war BL21 (DE3) der bevorzugte Stamm. Es wurden jedoch auch andere Expressionswirte verwendet, wie zum Beispiel Halobacterium sp. für die Expression einer kältetoleranten Hydrolase und Pichia pastoris für die Expression von 9 Proteinen, einschließlich verschiedener Pilzenzyme.
Charakterisierung der kältetoleranten Enzyme
Die meisten der untersuchten Enzyme wurden in einem löslichen Zustand im Zytosol überproduziert. Einige Enzyme wurden auch aus dem Periplasma und der äußeren Membran gereinigt. Die Enzyme wurden hinsichtlich ihrer optimalen Temperatur, ihres optimalen pH-Wertes und ihrer kinetischen Parameter wie kcat und Km charakterisiert. Die Verteilung der optimalen Temperaturen der Enzyme variiert zwischen 5 und 90°C, wobei 80% der Enzyme eine optimale Temperatur zwischen 20 und 45°C haben.
Die Bedeutung von kältetoleranten Enzymen
Die Entdeckung und Erforschung von kältetoleranten Enzymen hat eine große Bedeutung für die Industrie. Sie ermöglichen die Durchführung von biochemischen Reaktionen bei niedrigen Temperaturen und eröffnen neue Möglichkeiten für verschiedene Anwendungen. Die meisten kältetoleranten Enzyme gehören zur Klasse der Hydrolasen, insbesondere Lipasen und Esterasen. Ihre dreidimensionalen Strukturen wurden bereits weitgehend erforscht. Kältetolerante Enzyme haben das Potenzial, zahlreiche industrielle Prozesse zu verbessern und neue Lösungen für den Einsatz in der Medizin, Umwelttechnik und vielen anderen Bereichen zu bieten.
Abschließend lässt sich sagen, dass die Entdeckung und Erforschung kältetoleranter Enzyme ein spannendes Gebiet der Forschung ist. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und bieten eine große Chance für die Entwicklung neuer und innovativer Technologien. Die weitere Erforschung dieser Enzyme wird dazu beitragen, unsere industriellen Prozesse nachhaltiger, effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten.
