Alginate-Lyase

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Einführung

Alginate macht etwa 40% des Trockengewichts aus und ist das häufigste Polysaccharid in Braunalgen. Es wird aus β-D-Mannuronat (M) und α-L-Guluronat (G) als Monomereinheiten gebildet. Diese Einheiten sind in 3 verschiedenen Blöcken verknüpft, nämlich poly β-D-Mannuronat (polyM), poly α-L-Guluronat (polyG) und das Heteropolymer (polyMG). Einige Bakterien können Alginate synthetisieren; wenn sie schädlichen Faktoren wie Antibiotika oder Dürre ausgesetzt sind, kann Alginate eine schützende Rolle spielen. Alginate-Oligosaccharide sind Produkte der Depolymerisation von Alginate durch Alginate-Lyase oder physikochemische Methoden. Derzeit erhalten sie aufgrund ihrer breiten Anwendung in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie immer mehr Aufmerksamkeit. Ebenso ist die Alginate-Lyase zur milden Zersetzung von Alginate ebenfalls zum Fokus für verschiedene Bereiche geworden. Alginate-Lyase kann Alginate durch β-Eliminierung von glykosidischen Bindungen abbauen und ungesättigte Oligosaccharide mit Doppelbindungen am nicht reduzierenden Ende produzieren. Jetzt wird Alginate-Lyase, insbesondere endolytische Alginate-Lyase, weit verbreitet in der Produktion von Alginate-Oligosacchariden, der Vorbereitung von Protoplasten roter und brauner Algen sowie der Aufklärung der feinen Struktur von Alginate eingesetzt. Darüber hinaus kann Alginate-Lyase auch bakterielle Polysaccharid-Biofilme abbauen, was großes Potenzial bei der Behandlung von Mukoviszidose zeigt.

Quelle und Klassifikation

Alginate-Lyase wurde aus verschiedenen Quellen isoliert, darunter marine Algen, marine Weichtiere und verschiedene marine und terrestrische Bakterien. Darüber hinaus wurden einige Lyasen auch aus Pilzen und Viren isoliert (Tabelle 1). Nach der Substratspezifität kann Alginate-Lyase in zwei Kategorien eingeteilt werden, eine ist die G-Block-spezifische Lyase (polyG-Lyase, EC4.2.2.11), die andere ist die M-Block-spezifische Lyase (PolyM-Lyase, EC4.2.2.3). Je nach unterschiedlichen Wirkungsweisen kann sie in endolytische und exolytische Alginate-Lyase unterteilt werden. Endolytische Alginate-Lyase kann die glykosidische Bindung innerhalb des Alginate-Polymers spalten, um ungesättigte Oligosaccharide freizusetzen, während exolytische Alginate-Lyase für die weitere Zersetzung von Oligosacchariden in Monomere verantwortlich ist. Nach der Analyse der hydrophoben Cluster der Primärstruktur kann Alginate-Lyase in 7 Polysaccharid-Lyase (PL) Familien unterteilt werden: PL-5, -6, -7, -14, -15, -17 und -18. Ein Teil der endolytischen bakteriellen Alginate-Lyasen wird PL-5 und PL-7 zugeordnet. Die Lyasen, die aus marinen Weichtieren und Viren isoliert wurden, gehören zur PL-14 Familie. Die meisten Alginate-Lyasen aus Bakterien werden in die Familien PL-5, -7, -15 und -17 eingeteilt. Die bifunktionalen Alginate-Lyasen gehören zur PL-18 Familie, während andere Lyasen in den anderen 6 Familien verstreut sind. Darüber hinaus können Alginate-Lyasen basierend auf ihren Molekulargewichten in drei Kategorien unterteilt werden, nämlich kleine (25-30 kDa), mittlere (ca. 40 kDa) und große Lyasen (> 60 kDa).

Tabelle 1. Alginate-Lyase verschiedener PL-Familien aus verschiedenen Quellen und deren Substratspezifitäten (Zhu, B.W.; Yin, H. 2015)

Substratspezifität

Alginate besteht aus 4 verschiedenen Arten von Verknüpfungen, wie M-M, M-G, G-G und G-M, und das Ausmaß jeder Verknüpfung ist unterschiedlich. Alginate-Lyasen werden entsprechend ihrer dominierenden Spaltwirkung auf verschiedene Arten von Substraten klassifiziert, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Alginate-Lyasen, die M-reiches Alginate bevorzugen, werden in polyM-Lyase (EC 4.2.2.3) gruppiert, und die Lyasen, die G-reiches Alginate bevorzugen, werden als polyG-Lyase (EC 4.2.2.11) klassifiziert. Obwohl eine Alginate-Lyase als polyM-Lyase oder polyG-Lyase bezeichnet werden kann, zeigt das Enzym im Allgemeinen eine moderate oder niedrige Prozessivität für die anderen Homopolymere. Derzeit werden diese Probleme durch den Einsatz von Technologien mit hoher Genauigkeit und hoher Empfindlichkeit gelöst. Derzeit gibt es einige Berichte über Alginate-Lyasen mit spezifischen Substratspezifitäten, wie die Lyase von ATCC43367, die angeblich nur M-M-Verknüpfungen spaltet. Die aus dem marinen Weichtier Laambis sp isolierte Alginate-Lyase zeigte nur eine hohe Aktivität für polyG. Einige Alginate-Lyasen zeigen jedoch Aktivität sowohl auf polyM als auch auf polyG, und diese Lyasen werden als bifunktionale Lyasen angesehen, wie die Alginate-Lyase AlySJ-02 von Pseudoalteromonas sp. SM0524, AlyPEEC von Pseudoalteromonas sp. IAM14594, AlyA von Pseudoalteromonas atlantica AR06 und Aly von Pseudoalteromonas sp. 272.

Abbildung 1. Die Substratspezifität der Alginate-Lyase und Strukturen der Abbauprodukte (Zhu, B.W.; Yin, H. 2015)