Chitinase

Chitinasen sind Enzyme, die Chitin abbauen, ein reichlich vorhandenes Polysaccharid, das die Exoskelette von Arthropoden, die Zellwände von Pilzen und einigen Algen bildet. Chitin ist das zweithäufigste Biopolymer nach Cellulose und besteht aus N-Acetylglucosamin-Molekülen, die durch β-1,4-glycosidische Bindungen verknüpft sind. Da Chitin ein struktureller Bestandteil in verschiedenen Organismen ist, sind Chitinasen auch erforderlich, um dieses Biopolymer in der Natur abzubauen und zu recyceln.

Chitinasen sind in allen biologischen Reichen reichlich vorhanden: Bakterien, Pilze, Pflanzen, Tiere und Menschen. Chitinasen in Mikroorganismen ermöglichen die Verdauung von Chitin zur Nährstoffaufnahme oder zur Abwehr von Krankheitserregern. Chitinasen in Pflanzen sind Teil einer Abwehr gegen Pilze, indem sie die Zellwand des Pilzes abbauen. Bei Menschen sind Chitinasen Teil des Immunsystems, und hohe Werte wurden mit Krankheiten wie Asthma und Allergien in Verbindung gebracht. Aufgrund der biologischen Bedeutung des Chitinabbaus sind Chitinasen nicht nur für die natürliche Umwelt, sondern auch für industrielle und medizinische Anwendungen wichtig.

Creative Enzymes bietet hochwertige Chitinasen für Forschungs- und Industrieanwendungen an. Zum Beispiel kann Chitinase von Aspergillus niger (Lebensmittelqualität) in der Lebensmittelindustrie zur Extraktion von Chitosan oder zur Verdauung von Meeresfrüchte-Schalen verwendet werden; native Trichoderma viride Chitinase wurde verwendet, um die differenzielle Freisetzung von hochmannosestrukturellen Isoformen durch pilzliche und bakterielle Endo-β-N-Acetylglucosaminidase zu untersuchen. Lernen Sie mit uns über Chitinasen und erkunden Sie unsere Produktliste!

Überblick über Chitinasen

Chitinasen sind Glycosid-Hydrolasen (GHs) und werden in mehrere Familien eingeteilt, basierend auf Sequenz- und Strukturähnlichkeit, wobei die häufigsten GH18 und GH19 sind. Die GH18-Familie ist ungewöhnlich, da sie Glycosid-Hydrolasen umfasst, die sowohl katalytisch aktive Chitinasen (EC 3.2.1.14) als auch Endo-β-N-Acetylglucosaminidasen (EC 3.2.1.96) sind, sowie Unterfamilien von nicht-hydrolytischen Proteinen, die als Kohlenhydrat-bindende Module/"Lektine" oder als Xylanase-Inhibitoren fungieren. Die GH19-Familie hingegen besteht hauptsächlich aus katalytisch aktiven Chitinasen (EC 3.2.1.14) und ist weitgehend pflanzenspezifisch. Diese Enzyme haben eine einzigartige α-helikale Strukturdomäne und sind hauptsächlich an der Pflanzenabwehr gegen pilzliche Krankheitserreger beteiligt. Im Gegensatz zu GH18 zeigen GH19-Chitinasen eine konserviertere Rolle und Mechanismus, indem sie hauptsächlich als hydrolytische Enzyme fungieren, die Chitin abbauen. Ihre Wirkung umfasst die Hydrolyseerhaltung und sie sind integraler Bestandteil der angeborenen Immunität in Pflanzen.

Die katalytische Domäne von Chitinasen enthält typischerweise ein konserviertes Glutamat- oder Aspartat-Rest, das während des Hydrolyseprozesses als Protonendonator fungiert. Das Enzym bindet an das Chitin-Substrat über ein Kohlenhydrat-bindendes Modul (CBM), was die Effizienz des Substratabbaus erhöht.

Mechanismen der Chitinase-Aktion

Chitinasen katalysieren die Hydrolyse von Chitin, indem sie die β-1,4-glycosidischen Bindungen zwischen N-Acetylglucosamin-Einheiten spalten. Die enzymatische Aktivität von Chitinasen kann in zwei breite Kategorien unterteilt werden: Endochitinasen und Exochitinasen.

• Endochitinasen brechen Chitin zufällig an inneren Stellen und produzieren kürzere Chitinfragmente wie Chitooligosaccharide.

Abb. 1: Endochitinase baut Chitin in Multimerprodukte ab.

• Exochitinasen, einschließlich Chitobiosidasen und β-N-Acetylglucosaminidasen, spalten Chitin an den nicht-reduzierenden Enden und setzen Monomere oder Dimere von N-Acetylglucosamin frei.

Abb. 2: Exochitinase, die Chitin über Chitobiosidase in Dimere und über β-1,4-N-Acetylglucosaminidase in Monomere abbaut.

Vielfalt der Chitinasen

Chitinasen zeigen einen hohen Grad an Vielfalt in Bezug auf ihre Struktur, Substratspezifität und Funktion. Diese Vielfalt spiegelt sich hauptsächlich in der Verteilung der Chitinase-Familien über verschiedene Organismen wider.

• Bakterielle Chitinasen: Bakterien produzieren eine Vielzahl von Chitinasen mit unterschiedlichen Substratspezifitäten und katalytischen Effizienzen. Diese Enzyme ermöglichen es Bakterien, Chitin als Nahrungsquelle zu nutzen. Zum Beispiel produzieren Vibrio-Arten, die marine Bakterien sind, Chitinasen, die es ihnen ermöglichen, die chitinösen Exoskelette von marinen Organismen abzubauen.
• Pilz-Chitinasen: Pilz-Chitinasen sind besonders gut untersucht, wobei Arten wie Trichoderma und Aspergillus Chitinasen produzieren, um die Zellwände konkurrierender Pilze abzubauen (Chitinase von Trichoderma harzianum, Chitinase von Trichoderma viride, Chitinase von Aspergillus niger). Diese Enzyme sind auch wichtig für die Autolyse der Zellwände von Pilzen während des Wachstums und der Sporulation.
• Pflanzen-Chitinasen: Pflanzen-Chitinasen gehören hauptsächlich zur GH19-Familie und sind typischerweise an der Abwehr von Krankheitserregern beteiligt. Sie werden bei pilzlichen Infektionen induziert und bieten einen Schutzmechanismus, indem sie die Zellwand des Pilzes abbauen. Einige Pflanzen-Chitinasen zeigen auch antifungale Aktivität, was zu ihrer Rolle beim Schutz der Pflanze vor Krankheitserregern beiträgt.
• Tier-Chitinasen: Bei Tieren finden sich Chitinasen in Arten, die eine chitinreiche Ernährung konsumieren, wie Insekten und Krebstiere. Bei Menschen sind zwei Haupt-Chitinasen von Interesse: Chitotriosidase und saure mammalische Chitinase. Diese Enzyme werden als Reaktion auf pilzliche Infektionen und Entzündungen exprimiert, was auf eine evolutionäre Rolle in der Immunabwehr hindeutet.

Anwendungen von Chitinasen

Chitinasen haben ein breites Anwendungsspektrum, von Landwirtschaft und Biotechnologie bis hin zu Umweltmanagement:

Landwirtschaft

Chitinasen spielen eine wichtige Rolle in Biokontrollstrategien gegen pilzliche Krankheitserreger. Mikrobielle Chitinasen können verwendet werden, um Pflanzen vor pilzlichen Infektionen zu behandeln und zu schützen, indem sie die Zellwände von Pilzen abbauen. Darüber hinaus wurden transgene Pflanzen entwickelt, die Chitinasen exprimieren, um die Resistenz gegen pilzliche Krankheiten zu erhöhen, was eine nachhaltige Alternative zu chemischen Pestiziden bietet.

Biotechnologie

In der Biotechnologieindustrie werden Chitinasen zur Herstellung von Chitooligosacchariden (COS) für Anwendungen in der pharmazeutischen, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie verwendet. COS sind bioaktive Verbindungen mit antioxidativen, antimikrobiellen und entzündungshemmenden Eigenschaften, die sie wertvoll für die Entwicklung gesundheitsfördernder Produkte machen.

Abfallmanagement

Chitinasen werden verwendet, um chitinhaltige Abfallmaterialien, wie z.B. Garnelenschalen, in wertvolle Produkte umzuwandeln. Dieser enzymatische Prozess reduziert den Umweltabfall und produziert nützliche Nebenprodukte wie COS und N-Acetylglucosamin, die in verschiedenen Industrien weiterverwendet werden können.

Umweltanwendungen

Chitinasen werden im Management von Umwelt-Schädlingen und Pilzen eingesetzt. Mikrobielle Chitinasen können in integrierten Schädlingsbekämpfungsprogrammen verwendet werden, um Insektenpopulationen zu kontrollieren, da diese Enzyme die chitinösen Exoskelette von Insekten abbauen. Ebenso werden chitinaseproduzierende Mikroorganismen zur Bekämpfung von Pilzbefall in natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen eingesetzt.

Abb. 3: Quellen und Anwendungen von Chitinase (Srivastava A und Srivastava S, 2024).

Chitinase-Auswahlleitfaden

Zusammenfassend sind Chitinasen wichtige Enzyme, die vielseitige Rollen in einer Vielzahl von Organismen spielen, von der mikrobiellen Verdauung von Chitin bis hin zu Pflanzenabwehrmechanismen und menschlichen Immunantworten. Die Vielfalt der Chitinasen in Bezug auf ihre Quellen und Funktionen ermöglicht ihre Anwendung in verschiedenen Bereichen, einschließlich Landwirtschaft und Umweltmanagement. Ihre Fähigkeit, Chitin in nützliche bioaktive Verbindungen abzubauen, hat sie zu wertvollen Werkzeugen in der Biotechnologie und im Abfallmanagement gemacht.

Unterstützt von einem außergewöhnlichen Forschungsteam bietet Creative Enzymes eine Reihe von Chitinasen für verschiedene Anwendungen an. Für detaillierte Informationen zu diesen Produkten kontaktieren Sie uns bitte hier!