Suche nach und Verwendung von Enzymen marinen Ursprungs zur gezielten Hydrolyse sulfatierter Polysaccharide

Auf der Suche nach alternativen Quellen von Stoffen mit hoher Bioaktivität und weniger unerwünschten Nebenwirkungen richtet sich der Fokus verstärkt auf Substanzen aus der Natur. Dabei sind die Weltmeere aufgrund der hohen Biodiversität und der nahezu unerschöpflichen Ressourcen eine interessante Quelle biologisch aktiver Verbindungen. Einer dieser Stoffe, der aus marinen Braunalgen gewonnen wird, ist Fucoidan. Fucoidan ist ein sulfatiertes Strukturpolysaccharid, welches in der amorphen Fraktion der Zellwand von Braunlagen zu finden ist und dessen Verwendung als Arzneimittel oder als Functional Food vielversprechend ist. Fucoidane besitzen nachweislich antivirale und antibakterielle Eigenschaften. 

Fucoidan aus der Braunalge Fucus vesiculosus ist ein α-1,3-1,4 verknüpftes hochmolekulares Polysaccharid, hauptsächlich bestehend aus dem Monosaccharid Fucose. Die Sulfatester an den Positionen 2, 3 oder 4 sitzend, sind essentiell für die Bioaktivität. Für intrazelluläre, wie z.B. antiinflammatorische Effekte ist es notwendig, dass diese Polysaccharide in kleineren Molekulargewichten vorliegen da nur dann ein Transport oder eine Diffusion durch die Membran möglich ist. Säurehydrolyse zur Verringerung der Molekulargewichte von Zuckern ist in dem Fall der sulfatierten Polysaccharide nicht ratsam, da Hitzeeinwirkung in tiefen pH-Bereichen zur Spaltung der Sulfatester und somit zu einer Beeinträchtigung der Bioaktivität führt.

Das Mittel der Wahl zur schonenden Hydrolyse der Fucoidane besteht im Einsatz spezifischer Enzyme. Obwohl diese sogenannten Fucosidasen oder Fucoidanasen auch Bestandteile terrestrischer Flora und Fauna sind, sind diese jedoch vorwiegend in marinen Bakterien und Pilzen zu finden, die im Habitat der Algen leben. Versuche einer Ganzzelltransformation der Fucoidane zeigten lediglich geringe Enzymaktivitäten. Desweiteren sind die Wachstumsraten der marinen Organismen unbefriedigend. Die bevorzugte weitere Vorgehensweise besteht daher in der rekombinanten Expression dieser Enzyme in E. coli. Durch Literaturrecherche und Sequenzalignment mit veröffentlichten Fucosidasegenen wurden die Fucosidasen aus den Bakterien M. fucanivorans, S. erythraea und P. atlantica T6c zur heterologen Expression ausgewählt. Die Aufreinigung der gehistaggten Enzyme erfolgt über Metall-Chelat-Chromatographie. Die Charakterisierung der Enzyme im Hinblick auf Aktivität und chemische Eigenschaften steht ebenso im Vordergrund wie strukturelle Untersuchungen. 

Kooperationspartner

Prof. i. R. Dr. Siegmund Lang (TU Braunschweig)

StatusAbgeschlossenes Projekt
FördermittelgeberDeutsche Forschungsgemeinschaft
Förderzeitraum

07/2008 - 06/2011

Fördernummer

UL 170/3-3

Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

  • T. Hahn, S. Kelly, K. Muffler, T. Tippkötter, R. Ulber; Extraction of lignocellulose and algae for the production of bulk and fine chemicals, in: H.-J. Bart (Ed.) Industrial Scale Natural Products Extraction; Wiley-VCH (2011) 221-245
  • T. Hahn, S. Lang, R. Ulber, K. Muffler: Novel procedures for the extraction of fucoidan from brown algae, Process Biochemistry 47/12 (2012) 1691-1698
  • T. Hahn, K. Muffler, R. Ulber; Isothermal microcalorimetric studies of Toluidine blue O - sulphated polysaccharides interactions; Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, DOI 10.1007/s10973-015-5101-3
  • T. Hahn, A. Zayed, M. Kovacheva, R. Stadtmüller, S. Lang, K. Muffler, R. Ulber; Dye affinity chromatography for fast and simple purification of fucoidan from marine brown algae; Engineering in Life Sciences (2015) DOI: 10.1002/elsc.201500044
  • T. Hahn, M. Schulz, R. Stadtmüller, L. Kilian, K. Muffler, S. Lang, R. Ulber; A Cationic Dye for the Specific Determination of Sulfated Polysaccharides; Analytical Letters (2016) DOI:10.1080/00032719.2015.1126839
  • T. Hahn, R. Stadtmüller, L. Kilian K. Muffler, S. Lang, R. Ulber, Isolation of fucoidans from brown algae using innovative extraction and purification strategies, 8th European Congress of Chemical Engineering, Berlin
  • T. Hahn, R. Stadtmüller, L. Kilian, K. Muffler, S. Lang, R. Ulber; Erste heterologe Expression einer Fucosidase; Jahrestagung der Biotechnologen (Aachen 2010)
  • T. Hahn, L. Kilian, K. Muffler, S. Lang, R. Ulber; Purification, Structure and Bioactivity of Fucoidans from Fucus vesiculosus and Laminaria digitata; Renewable Resources & Biorefineries 5 (Ghent 2009)  
  • T. Hahn, L. Kilian, K. Muffler, S. Lang, R. Ulber; Molekulare Werkzeuge zur Identifikation von Fucoidanasen; Jahrestagung der Biotechnologen (Mannheim 2009)
  • T. Hahn, L. Kilian, K. Muffler, S. Lang, R. Ulber; Extraktion sulfatierter Polysaccharide aus Braunalgen; Processnet (Mannheim 2009)
  • T. Hahn, L. Kilian, K. Muffler, S. Lang, R. Ulber; Extraction of sulfated polysaccharides from brown algae; European Society of Marine Biotechnology (Concarneau 2009)