Chitinase

Chitin und Chitinase sind in der Natur weit verbreitet. Chitin, auch als Chitin bezeichnet, ist ein lineares Polymer mit β‑1,4‑N‑Acetylglucosamin als Grundeinheit; sein Anteil ist der zweithöchste unter den natürlichen Polymeren. Chitin ist zudem ein Hauptbestandteil der Zellwände der meisten Pilze und kommt außerdem im Außenskelett sowie im Darm von Insekten vor. Chitinasen wurden in Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren nachgewiesen, wobei ihre Funktionen je nach Organismus variieren.

Verbreitung

Bereits 1905 isolierte Benecke einen Mikroorganismus, der Chitin als Nährstoff nutzen konnte, und benannte ihn Bacillus chitinovirous. Seitdem wurden Chitinasen aus zahlreichen weiteren Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren isoliert und gereinigt.

Tabelle 1 Verbreitung und grundlegende Eigenschaften der Chitinase

Klassifizierung

Für die Klassifizierung von Chitinasen werden im Allgemeinen drei Ansätze verwendet. Erstens das vom Nomenklaturkomitee der International Union of Biochemistry festgelegte System. Da Chitinase und Cellulase zahlreiche Gemeinsamkeiten aufweisen und beide zu den Glycosidhydrolasen gehören, wird Chitinase im international anerkannten Enzymklassifikationssystem als EC 3.2.1.14 geführt. Nachteilig ist, dass diese Einteilung die evolutionären Beziehungen innerhalb der Chitinasen nicht abbildet. Zweitens werden Chitinase und N‑Acetylhexosaminidase anhand der Aminosäuresequenz des Enzyms in drei Familien eingeteilt, nämlich in die Familien 18, 19 und 20. Die Familien 18 und 19 umfassen intrazelluläre Chitinasen aus unterschiedlichen Quellen wie Viren, Bakterien, Pilzen, Insekten und Pflanzen. Die Familie 19 besteht überwiegend aus pflanzlichen Chitinasen. Die Familie‑20‑Chitinasen ist vergleichsweise klein. Drittens werden pflanzliche Chitinasen – da Pflanzen große Mengen an Chitinase produzieren – anhand ihrer Gensequenz in sechs Typen (Typ I–VI) klassifiziert. Die Enzymbeschreibung in diesem System umfasst im Wesentlichen folgende Aspekte: N‑terminale Sequenz, Enzymlokalisation, isoelektrischer Punkt, Signalpeptid und Induktor.

Biologische Funktionen

Chitinase übernimmt in Mikroorganismen, Tieren und Pflanzen unterschiedliche Funktionen. In Pilzen, Protozoen und Wirbellosen spielt Chitinase eine Rolle bei Wachstum und Morphogenese. In einigen Bakterien kann Chitinase unlösliches Chitin abbauen und als Nährstoff nutzbar machen; dadurch dient Chitin als Kohlenstoff‑ und Energiequelle. In Hefen (Saocharomyces) macht Chitin zwar nur etwa 1 % der Zellwand aus, jedoch findet sich eine ausgeprägte Chitinablagerung im Septum zwischen zwei Zellgenerationen, was darauf hinweist, dass Chitinase für Proliferation und Zelltrennung erforderlich ist. Nach heutigem Forschungsstand ist Chitinase in höheren Pflanzen und Wirbeltieren ein Abwehrprotein. Chitinase kann bestimmte Nodulationsfaktoren abbauen. Es wird vermutet, dass Chitinase durch Kontrolle des Nodulationsfaktor‑Spiegels das Gleichgewicht zwischen Pflanzen und Rhizobien reguliert und damit an der symbiotischen Stickstofffixierung beteiligt ist.

Eigenschaften

Chitinase ist induzierbar. Zahlreiche Studien zeigen, dass Chitinasen in Wirbeltieren und Pflanzen induzierbar sind. Nach Induktion höherer Pflanzen durch Pathogene und deren Elicitoren, Ethylen, Salicylsäure, UV‑Licht, Schwermetalle, mechanische Schädigung usw. steigt die Chitinaseaktivität rasch an, wodurch die Pflanzen in gewissem Umfang geschützt werden. Bestimmte mikrobielle und tierische Chitinasen können nach proteolytischem Abbau Chitinasen mit geringerem Molekulargewicht bilden. Die Expression von Chitinase ist zudem zeitlich sequenziell und gewebespezifisch. Obwohl die Bildung pflanzlicher Chitinase mit der Resistenz der Pflanze zusammenhängt, wurde Chitinase auch in bestimmten Entwicklungsstadien und spezialisierten Geweben vieler Pflanzen nachgewiesen. In Pflanzen ist an der Sprossspitze nahezu keine Chitinase nachweisbar, während sie in älteren Blättern und in den Wurzeln der Basis reichlich vorhanden ist. Chitinase stellt daher einen Schutzmechanismus dar, der entwickelt wurde, um sich in bestimmten Entwicklungsphasen an ungünstige Umweltbedingungen anzupassen und einen reibungslosen Ablauf der Entwicklung zu gewährleisten. Die von parasitischen Nematoden produzierte Chitinase ist spezifisch und zeitabhängig und spielt eine wichtige Rolle bei Entwicklung und Übertragung.

Anwendungen

• Einsatz von Chitinase zur Kontrolle phytopathogener Pilze

Der Hauptbestandteil der Zellwand vieler phytopathogener Pilze ist Chitin. In‑vitro-Tests zur Wachstumshemmung haben gezeigt, dass Chitinase die Sporenkeimung und das Myzelwachstum bestimmter pathogener Pilze inhibieren kann. Bei Infektion von Pflanzen durch Pathogene werden eine Reihe aktiver Abwehrreaktionen ausgelöst, darunter eine erhöhte Chitinaseaktivität. Daher gilt Chitinase seit Langem als potenzieller Wirkstoff gegen pilzliche Pflanzenkrankheiten. Seit den 1980er‑Jahren haben Wissenschaftler Chitinase‑Gene in Pflanzen wie Tabak, Tomate, Sojabohne, Kartoffel, Salat, Weinrebe und Zuckerrübe transferiert und transgene Pflanzen mit nachweisbarer Chitinaseaktivität erzeugt. Im Vergleich zu nicht‑transgenen Pflanzen sind transgene Pflanzen nicht nur pilzresistent, sondern zeigen auch Resistenz gegenüber Nematoden, Insekten und weiteren pathogenen Organismen.

• Einsatz von Chitinase in der biologischen Bekämpfung

Da die Parasiten Brugia malayi und Wuchereria bancrofti über Chitinasen verfügen, die am Reproduktions‑ und Übertragungsprozess beteiligt sind, kann Chitinase als Kandidatenimpfstoff zur Kontrolle dieser beiden parasitischen Nematoden in Betracht gezogen werden. 1992 berichteten Furhman et al., dass der monoklonale Antikörper MF1 periphere Komponenten parasitischer Mikrofilarien in Wüstenrennmäusen abbauen kann; dieser Antikörper weist eine hohe Homologie zu mehreren bakteriellen und Hefechitinasen auf. Bei einigen Biokontroll‑Mikroorganismen, wie Trichoderma harzianum, Rhizoctonia solani, Leishococcus, Bacillus usw., besteht einer der Wirkmechanismen der biologischen Kontrolle in der Produktion zellwandabbauender Enzyme wie Chitinase und Glucanase. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass Chitinase Schädlinge und Mücken in bestimmten Entwicklungsstadien abtöten oder deren Entwicklung verhindern kann; daher wird angenommen, dass Chitinase zur Reduktion von Mückenpopulationen und diesen Schädlingen eingesetzt werden kann, ohne große Mengen an Pestiziden zu verwenden.

• Anwendung von Abbauprodukten der Chitinase

Amino‑Oligosaccharide, die durch Hydrolyse von Chitin entstehen, spielen eine sehr wichtige Rolle bei der Regulation des Stoffwechsels von Pflanzen und Tieren. N‑Acetylglucosamin selbst kann als antiphlogistischer Wirkstoff eingesetzt werden und zeigt therapeutische Effekte bei Dickdarmulzera sowie bei gastrointestinalen Ulkuserkrankungen. Darüber hinaus können Amino‑Oligosaccharide als Immuninduktor verwendet werden, um in Pflanzen eine Abwehrreaktion zu induzieren. Bei Tieren weisen Amino‑Oligosaccharide ebenfalls physiologische Aktivitäten auf, wie die Verbesserung der Immunfunktion und die Hemmung des Tumorzellwachstums.