Agarase

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Der systematische Name der Agarase lautet Agarose-4-Glycosylhydrolase. Sie kommt in agarabbauenden Bakterien vor und ist das erste Enzym im Agar-Katabolismusweg. Sie ermöglicht diesen Organismen, Agar als primäre Kohlenstoffquelle zu nutzen und im marinen Milieu zu gedeihen. Je nachdem, ob Agarase die α- oder β-Bindungen in Agarose spaltet, wird Agarose zu Oligosacchariden abgebaut und entsprechend in α-Agarase bzw. β-Agarase eingeteilt. Bei der Sekretion weisen die durch α-Agarase gebildeten Oligosaccharide 3,6-Anhydro-L-Galactose am reduzierenden Ende auf, während β-Agarase D-Galactose-Reste erzeugt.

Abbildung 1. Proteinstruktur der Agarase.

Klassifikationen

Agarasen, die Agar abbauen können, lassen sich aus dem Meer und anderen Umweltkompartimenten isolieren. In Abhängigkeit vom Wirkmechanismus werden Agarasen in zwei Typen unterteilt: α-Agarase und β-Agarase. Unterschiedliche Agarasen weisen unterschiedliche biologische Eigenschaften auf. Agarase besitzt einen hohen Anwendungswert bei der Herstellung von Einzelzellen aus Algen, der Gewinnung von Algenprotoplasten, der Herstellung von Agar-Oligosacchariden, der Untersuchung der Struktur von Algenpolysacchariden sowie in der molekularbiologischen Forschung.

Mechanismus

Entsprechend der Substratspezifität der Lyase wird der Mechanismus der Agarase in zwei Typen unterteilt:

Der erste Mechanismus geht auf Untersuchungen der β-Agarase aus Pseudoalteromonas atlantica (ATCC 19292) zurück. Die Endo-β-Agarase I dieses Bakteriums

spaltet das β-verknüpfte Agarpolymer (EC 3.2.1.81) an (1,4)-Bindungen und erzeugt ein Gemisch aus Oligosacchariden, wobei Neoagarotetraose das Hauptprodukt darstellt. Anschließend werden diese Oligosaccharide durch die membrangebundene Exo-β-Agarase II hydrolysiert und zu Neoagarobiose umgesetzt. Schließlich wird Neoagarobiose im Zytoplasma durch Neoagarobiose-Hydrolase weiter hydrolysiert und in 3,6-Anhydro-L-Galactose und Galactose gespalten.

Der zweite Mechanismus besteht darin, dass das extrazelluläre α-Agarase-Enzym die α-verknüpfte Agarose an (1,3)-Bindungen spaltet. Dabei entstehen Oligosaccharide mit Neoagarobiose als Wiederholungseinheit, und am nichtreduzierenden Ende wird D-Galactose gebildet.

α-Agarase

Bislang wurden nur wenige α-Agarasen untersucht und beschrieben. 1978 wurde eine Agarase aus einem gramnegativen marinen Bakterium isoliert. Dieses Enzym wurde mittels Ammoniumsulfat gefällt und über eine DEAE-Cellulose-Säule zur Reinigung aufgereinigt. Papierchromatographie zeigte, dass das Hydrolysat Agarose und Agarose enthielt.

β-Agarase

β-Agarase spaltet Agarose-Untereinheiten bzw. unsubstituierte Neoagarose (3,6-Anhydro-α-L-galactosyl-1-3-D-galactose) und erzeugt Neoagar-Oligosaccharide. β-Agarase I verdaut Agarose und bildet Kohlenhydratmoleküle, die nicht mehr gelieren können, und setzt gleichzeitig die gebundene DNA frei. In der Regel beeinträchtigen verbleibende Kohlenhydratmoleküle bzw. β-Agarase I nachfolgende DNA-Arbeitsschritte wie Restriktionsenzymverdau, Ligation und Transformation nicht.

Anwendungen

• Einsatz als Enzymwerkzeug zur enzymatischen Hydrolyse von Algen

Da Agar ein wesentlicher Bestandteil der Zellwände bestimmter Rotalgen ist, kann Agarase als Enzymwerkzeug zur enzymatischen Hydrolyse großwüchsiger Algen eingesetzt werden, um Einzelzellen oder Protoplasten zu gewinnen. Die meisten in der Vergangenheit verwendeten Enzyme zur Zellwandlyse von Algen wurden aus dem Verdauungssystem mariner Tiere isoliert und hergestellt.

• Anwendungen in der Molekularbiologie

Der Einsatz von Agarase zur Rückgewinnung von DNA aus Agarosegelen hat sich als eine der besten Methoden erwiesen.

• Zur Herstellung von Agar-Oligosacchariden

Agar kann durch Agarase hydrolysiert werden, wodurch Oligosaccharide wie Trisaccharide und Tetrasaccharide entstehen. Agar-Oligosaccharide finden in der Lebensmittelproduktion ein breites Anwendungsspektrum. Sie können bei der Herstellung von Getränken, Brot und bestimmten kalorienarmen Lebensmitteln eingesetzt werden.

• Einsatz bei der Untersuchung der Struktur von Algenpolysacchariden

Die Hydrolyse der Polysaccharide bestimmter Algen mit Agarase zur Bestimmung der Struktur der Hydrolysate und anschließenden Ableitung der Polysaccharidstruktur ist eine effektive Methode.

Literatur

1. Groleau D.; et al. Enzymatic hydrolysis of agar:purification and characterization of beta neoagarotetraose hydrolase from Pseudomonas atlantica. Can J Microbiol, 1977, 23(6): 672-697.
2. Bibb M J.; et al. The agarase gene(dag A) of Streptomyces coelicolor A3(2): affinity purification and characterization of the cloned gene product. J Gen Microbiol, 1987, 133(Pt 8):2 089-2 096.