Ein Forschungsteam hat zwei hocheffiziente Glykosyltransferasen, AmGT28 und AmGT44, aus Astragalus membranaceus identifiziert, die Medicarpin in Medicarpin-3-O-Glucosid umwandeln und eine Präferenz für Pterocarpane gegenüber Isoflavonoiden zeigen.
Diese Enzyme ermöglichen die Biosynthese von Glykosiden und wurden in einem Ganzzell-Biokatalysesystem mit hohen Umwandlungsraten eingesetzt. Diese Entdeckung bietet wertvolle katalytische Werkzeuge für die Produktion biologisch aktiver Pterocarpan-Glykoside, die potenzielle Anwendungen in der Pharmazie und Biotechnologie haben.
Die aus Astragalus membranaceus gewonnene Astragalus-Wurzel wird aufgrund ihres hohen Gehalts an bioaktiven Pterocarpan-Glykosiden häufig in der Kräutermedizin und in Nahrungsergänzungsmitteln verwendet.
Die durch UDP-Glycosyltransferasen (GTs) vermittelte Glykosylierung ist für die Biosynthese dieser Verbindungen von wesentlicher Bedeutung. Während Flavonoid-GTs gut untersucht sind, sind spezifische GTs für Pterocarpans noch immer wenig erforscht, und bestehende GTs weisen eine geringe Selektivität und Umwandlungsraten auf.
Eine veröffentlichte Studie In Heilpflanzenbiologie am 5. Juni 2024 zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem zwei effiziente Pterocarpan-GTs, AmGT28 und AmGT44, identifiziert und ein zellweites katalytisches System für die Pterocarpan-Glykosylierung etabliert wird.
Das Forschungsteam führte das molekulare Klonen und die funktionelle Charakterisierung zweier Glykosyltransferasen, AmGT28 und AmGT44, von A. membranaceus durch.
Die gereinigten rekombinanten Proteine von AmGT28 und AmGT44 zeigten eine nahezu 100%ige Umwandlungsrate bei der Katalyse von Medicarpin zu Medicarpin-3-O-Glucosid, wie durch LC/MS-Analyse bestätigt wurde.
Um die Substratpromiskuität zu bewerten, wurden außerdem verschiedene Aglykone aus der Astragalus-Wurzel und Derivaten getestet. Beide Enzyme zeigten hohe Umwandlungsraten für Pterocarpane und Isoflavonoide, wobei ein neues Produkt, 7-O-Glucosid 5a, identifiziert wurde.
AmGT44 zeigte im Vergleich zu AmGT28 höhere Umwandlungsraten für bestimmte Substrate, was von den Bindungsarten der Substrate beeinflusst wurde. Die Präferenz für Zuckerspender wurde ebenfalls untersucht und zeigte, dass AmGT44 UDP-Glc, UDP-Xyl und UDP-GlcNAc verwenden konnte, während AmGT28 eine eingeschränkte Vielseitigkeit aufwies.
Darüber hinaus wurden die optimalen Reaktionsbedingungen für AmGT44 ermittelt, wobei sich eine Präferenz für Pterocarpans ergab. Außerdem wurde ein biokatalytisches System für die gesamte Zelle entwickelt, um die Enzymnutzung zu vereinfachen und so hohe Umwandlungsraten für Pterocarpans zu erzielen, insbesondere mit AmGT44, das in hochskalierten Reaktionen eine Umwandlung von bis zu 100 % und einen Titer von 78,66 μg/ml erreichte.
Niedrigere Umwandlungsraten für einige polare Verbindungen wiesen jedoch auf die Notwendigkeit einer weiteren Optimierung hin.
Laut dem leitenden Forscher der Studie, Xue Qiao, „hat diese Studie effiziente katalytische Werkzeuge für die Biosynthese von Pterocarpan-Glykosiden geliefert.“
Zusammenfassend wurden im Rahmen der Studie zwei Glykosyltransferasen, AmGT28 und AmGT44, aus A. membranaceus identifiziert, die die Umwandlung von Medicarpin in Medicarpin-3-O-Glucosid effizient katalysieren, wobei Pterocarpane gegenüber Isoflavonoiden bevorzugt werden.
Es wurde ein biokatalytisches System für die gesamte Zelle etabliert, das Umwandlungsraten von bis zu 100 % und hohe Titer erreichte.
Die Ergebnisse dieser Forschung bieten wertvolle Werkzeuge für die Biosynthese bioaktiver Pterocarpan-Glykoside mit potenziellen Anwendungen in der Pharmazie und Biotechnologie. Zukünftige Arbeiten könnten diese Systeme für die Produktion im industriellen Maßstab optimieren und erweitern.
Weitere Informationen:
Bai-Han Gao et al, Charakterisierung zweier Pterocarpan-Glycosyltransferasen in Astragalus membranaceus und ihre Anwendung in der Ganzzell-Biokatalyse, Heilpflanzenbiologie (2024). DOI: 10.48130/mpb-0024-0013