Glucansucrase

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Einführung

Glucansucrase wird hauptsächlich von Leuconostoc mesenteroides und oralen Streptococcus-Arten produziert, und auch Milchsäurebakterien (Lactococci, Lactobacilli) können produziert werden. Sie sind verantwortlich für die Synthese von Saccharose in hochmolekulare D-Glucose-Polymere, die als Glucane bezeichnet werden. Die Synthese von niedermolekularen Oligosacchariden kann ebenfalls in Anwesenheit effizienter Akzeptoren katalysiert werden. Die Synthese von glykosidischen Bindungen erfordert nicht die Vermittlung durch nucleotide-aktivierte Zucker und Cofaktoren. Glucansucrasen haben aufgrund ihrer Fähigkeit, Glucane und Oligosaccharide zu produzieren, industriellen Wert und sind biologisch wichtig aufgrund ihrer entscheidenden Rolle in kariogenen Prozessen.

Glucansucrasen wurden vor mehr als 50 Jahren erstmals entdeckt, aber ihr Wirkmechanismus ist immer noch nicht vollständig verstanden. Um Oligosaccharide von biologischem Interesse zu synthetisieren oder Impfstoffe gegen Karies zu entwickeln, ist es wichtig, die Faktoren zu klären, die die Regiospezifität und Regioselektivität von Glucansucrasen bestimmen. Neben Studien zur Struktur-Funktions-Beziehung hat das Klonen des Gens, das die Glucansucrase kodiert, es uns ermöglicht, wichtige Aminosäurereste zu identifizieren und festgestellt, dass das Enzym aus zwei funktionalen Domänen besteht: einer Kernregion, die an der Bindung und Spaltung von Saccharose beteiligt ist (~1000 Aminosäuren) und einer C-terminalen Domäne (~500 Aminosäuren), die aus Tandemwiederholungen besteht, die an der Glucanbindung beteiligt sind. Enzymatische Studien haben verschiedene Modelle für ihren Wirkmechanismus vorgeschlagen. Die Verwendung von Vorhersagen zur Sekundärstruktur hat zu einem klareren Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehung von Glucansucrasen geführt.

Glucansucrasen

Glucansucrase (EC 2.4.1.5) ist ein extrazelluläres Enzym, das hauptsächlich von dem Bodenbakterium Leuconostoc mesenteroides (häufig als Dextransucrase bezeichnet), von Streptococcus-Arten aus der oralen Flora (häufig als Glucosyltransferasen bezeichnet) und von Milchsäurebakterien Lactococci produziert wird. Sie sind verantwortlich für die Katalyse der Synthese von hochmolekularen D-Glucose-Polymeren aus Saccharose, und wenn effiziente Akzeptoren wie Maltose oder Isomaltose dem Reaktionsmedium hinzugefügt werden, katalysieren Glucansucrasen die Produktion von niedermolekularen Oligosacchariden anstelle von hochmolekularem Glucan.

Glucansucrasen aus L. mesenteroides werden häufig in der industriellen Produktion verwendet. Dextran, das von L. mesenteroides NRRL B-512F produziert wird, war eines der ersten Biopolymere, die 1948 in industriellem Maßstab produziert wurden, und hat eine Vielzahl von Anwendungen in der Medizin, Trenntechnik und Biotechnologie gefunden. L. mesenteroides NRRL B-1299 produziert Oligosaccharide mit einem oder mehreren D-Glucopyranosyl-Einheiten, die durch α(1-2)-glykosidische Bindungen verknüpft sind, die hochgradig resistent gegen den Angriff durch Verdauungsenzyme sind und als Präbiotika in kosmetischen und menschlichen Ernährungsanwendungen verwendet werden können. Die von oralen Streptokokken produzierte Glucansucrase spielt eine wichtige Rolle im Kariesprozess, da das produzierte Glucan die Anheftung und Kolonisierung kariogener Bakterien fördert. Um Impfstoffe gegen Karies zu entwickeln, wurde viel Aufwand in die Untersuchung der Gene investiert, die diese Enzyme kodieren. Die Sequenzen von 14 verschiedenen Genen, die Glucansucrase kodieren (genannt gtf), sind jetzt verfügbar.

Abbildung 1. Reaktionen, die von Glucansucrasen katalysiert werden (Monchois, V., et al. 1999)

Strukturelle und funktionale Organisation der Glucansucrasen

Studien, die vor vielen Jahren initiiert wurden, isolierten und sequenzierten 17 Gene, die Glucansucrasen kodieren, die von oralen Streptokokken produziert werden, die am Kariesprozess beteiligt sind, S. mutans GS5 oder LM7, S. sobrinus Serotyp h (S. downei Mfe28), Serotyp g (S. sobrinus 6715), Serotyp d (S. sobrinus OMZ176), von S. salivarius ATCC 25975 und von L. mesenteroides NRRL B-512F und B-1299. Isolierte Glucanasen sind alles große Enzyme mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 160.000. Streptokokken-Glucansucrase synthetisiert hauptsächlich α(1-3)-reiche mutierte Polysaccharide und α(1-6)-reiche Dextran-Polysaccharide. L. mesenteroides Glucansucrase produziert α(1-6)-reiches Dextran. Gene, die für Glucansucrasen kodieren, die verzweigte Glucane durch α(1-2) oder α(1-4) glykosidische Bindungen produzieren oder Alternan synthetisieren, wurden jedoch nicht isoliert. Studien zur Analyse und zum Vergleich verschiedener Proteinsequenzen haben gezeigt, dass diese Enzyme eng verwandt sind und eine gemeinsame Struktur teilen. Sie bestehen aus vier verschiedenen Domänen. Mit Ausnahme von DSR-A von L. mesenteroides NRRL B-1299 beginnen sie alle am N-terminalen Ende mit einem 32-34 Aminosäuren langen Signalpeptid, gefolgt von einem hochvariablen Abschnitt von 123-129 Aminosäuren. Sie weisen eine hochkonservierte Kernregion von etwa 1000 Aminosäuren auf, die auch als katalytische Domäne bekannt ist, die eine Saccharose-bindende Domäne ist, die in der Lage ist, Saccharose zu binden und zu spalten. Das C-terminale Ende der Glucansucrase umfasst etwa 500 Aminosäuren und besteht aus einer Reihe von Tandemwiederholungen, die die Glucan-bindende Domäne bilden.

Abbildung 2. Schematische Struktur von Glucansucrasen, für die kodierende Gene kloniert wurden. A, Signalpeptid; B, variable Region; C, N-terminal katalytische Domäne; D, C-terminal Glucan-bindende Domäne (Monchois, V., et al. 1999)