Neues enzymatisches Biosystem nutzt das Potenzial des Zuckers Maltose

Mikroorganismus-freie enzymbasierte Reaktionssysteme werden jetzt für die Produktion von Wasserstoff, Bioelektrizität und nützlichen Biochemikalien verwendet. In diesen Biosystemen werden als Substrate bezeichnete Rohstoffe durch eine Reihe von Enzymen (dh biologische Katalysatoren) abgebaut, um das gewünschte Endprodukt zu erhalten. In einigen Fällen sind die Substrate Kohlenhydrate wie Saccharose, Zellulose oder Stärke. Im ersten Schritt dieser Reaktionen wird Saccharose in Glucosederivate wie ɑ-Glucose-1-phosphat (ɑ-G1P) oder Glucose-6-phosphat (G6P) umgewandelt, die als wichtige Zwischenprodukte für weitere Reaktionen dienen.

Trotz ihrer praktischen Anwendbarkeit und geringen Kosten wird Maltose selten als Substrat für enzymatische Biosysteme verwendet. Dies liegt daran, dass herkömmliche Enzyme Maltose in β-G1P statt in ɑ-G1P (sein Spiegelbild) oder G6P umwandeln. Im Gegensatz zu ɑ-G1P und G6P kann β-G1P nicht weiter verarbeitet werden, um das gewünschte Endprodukt zu erhalten.

Eine neue Studie, veröffentlicht am 01.07.2022 in BioDesign-Forschung, hat dieses Problem auf höchst innovative Weise gelöst. In dieser Studie entwickelten Forscher aus China ein neues synthetisches enzymatisches Biosystem, das die biologische Herstellung wertvoller Produkte unter Verwendung von Maltose als Substrat ermöglicht. Prof. Chun You, der leitende Forscher der Studie, kommentiert: „Maltose ist so kostengünstig, dass sie der Zucker der Wahl in der Lebensmittelindustrie ist. Aber ihre Anwendungen als Rohstoff für die Biosynthese sind seit langem begrenzt. Unsere neue Das synthetische Reaktionsbiosystem löst dieses Problem und ermöglicht eine verstärkte Verwendung von Maltose im Bereich der biologischen Herstellung.“

Jedes Maltosemolekül besteht aus zwei Glukosemolekülen, die über das erste und vierte Kohlenstoffatom verbunden sind. Im Vergleich dazu besteht Saccharose aus einem Glukose- und einem Fruktosemolekül, die über das erste und zweite Kohlenstoffatom verbunden sind. Durch einen rigorosen schrittweisen Ansatz entwarfen Prof. You und sein Team zunächst enzymatische Prozesse, die theoretisch beide Glucosemoleküle in Maltose in G6P umwandeln könnten. Anschließend reinigten sie diese Enzyme einzeln, optimierten das „Rezept“ und konstruierten das enzymatische In-vitro-Reaktionsbiosystem, das aus drei Enzymen bestand: Maltosephosphorylase (MP), β-Phosphoglucomutase (β-PGM) und Polyphosphat-Glucokinase (PPGK). Ihre vorläufigen Ergebnisse bewiesen, dass ihre Strategie erfolgreich war – das dreiteilige enzymatische System konnte jedes Molekül Maltose in zwei Moleküle G6P umwandeln.

Gestärkt durch diese Ergebnisse machte sich die Gruppe daran, einen weiteren Gipfel zu erklimmen. G6P war nur ein Zwischenprodukt. Ihr eigentliches Ziel war es, aus Maltose wertvolle Endprodukte zu gewinnen. Zu diesem Zweck konzentrierten sie sich auf zwei wichtige Produkte, von denen das erste Fructose-1,6-diphosphat (FDP) war. FDP wurde aufgrund seines klinischen Werts bei der Behandlung von ischämischen Verletzungen, Krampfanfällen und Diabetes-Komplikationen ausgewählt. Das zweite Produkt war Biostrom, eine Form umweltfreundlicher Energie.

Für diese Endprodukte wurden zwei getrennte Reaktionssysteme entworfen. Das dreiteilige enzymatische Modul war die Hauptkomponente dieser beiden Reaktionssysteme. Anschließend wurde das erste Reaktionssystem mit nachgeschalteten Enzymen für die Synthese von FDP aus G6P versorgt, während das zweite System um Enzyme ergänzt wurde, die die Bioelektrizitätserzeugung aus G6P ermöglichten.

Durch ihre intelligenten Designs erreichten das 5-Enzym-In-vitro-FDP-produzierende Biosystem und das 14-Enzym-Batteriesystem die effiziente Produktion von FDP bzw. Bioelektrizität. Die Ausbeute an FDP konnte auf über 88 % der theoretischen Ausbeute gesteigert werden, während der produzierte Biostrom eine Energieeffizienz von über 96 % und eine maximale Leistungsdichte von 0,6 Milliwatt pro Quadratzentimeter aufwies.

Zusammen erhöhen diese Ergebnisse die Anwendungsfälle für Maltose als Biosynthesesubstrat. Prof. You erklärt, dass „das Potenzial von Maltose als Rohstoff für die Bioherstellung weitgehend ungenutzt ist. Unsere Studie schlägt neue Anwendungsszenarien für diesen Zucker vor. Während wir uns in dieser Studie auf FDP und Bioelektrizität konzentriert haben, gibt es zahlreiche andere Anwendungen, die möglich sind in zukünftigen Studien erforscht werden.“ Er fügt hinzu, dass ihre „Strategie auch einen neuartigen Ansatz für die hocheffiziente Erzeugung von Biostrom und nützlichen Biochemikalien darstellt“.

Bereitgestellt von BioDesign Research