Keratinase

Keratinase ist eine Protease, die Keratin spezifisch abbauen kann. Keratinase ist ein induzierbares Enzym, das nur dann synthetisiert wird, wenn ein Induktor (Keratin) in der Umgebung vorhanden ist. Keratinase kann von zahlreichen Mikroorganismen produziert werden und weist breite Anwendungsperspektiven in den Bereichen Futtermittel, Leder, Medizin, Lebensmittel sowie in weiteren industriellen Anwendungen und in der Umwelttechnik auf.

Quellen

Bereits zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde erkannt, dass bestimmte Organismen Keratin abbauen können; die Isolierung entsprechender Stämme wird seither kontinuierlich betrieben. Derzeit sind mehr als 30 Mikroorganismenarten bekannt, die Keratin degradieren können, darunter Bakterien, Actinomyceten und Pilze, z. B. Dermatophyte und Cnadina albicans bei den Pilzen, Streptomyces bei den Actinomyceten sowie Bacillus licheniformis und Bacillus subtilis bei den Bakterien. Die von unterschiedlichen Mikroorganismen gebildeten Keratinasen unterscheiden sich in gewissem Umfang, insbesondere hinsichtlich Vorkommen des Enzyms sowie Struktur, Zusammensetzung, Stabilität, optimaler Reaktionstemperatur und pH-Wert. So liegen einige Keratinasen überwiegend intrazellulär vor, andere werden hauptsächlich extrazellulär sezerniert. Keratinasen von Pilzen finden sich sowohl intra- als auch extrazellulär.

Eigenschaften

Die Molmasse isolierter und gereinigter Keratinasen variiert erheblich und reicht von einigen Dutzend kDa bis zu mehreren Hundert kDa. Kleinere Keratinasen sind monomere Enzyme mit einer Molmasse von etwa 18 kDa; größere Keratinasen sind Enzymkomplexe, z. B. Keratinasen thermophiler anaerober Bakterien mit Molmassen von bis zu 200 kDa oder mehr. Die Molmassen der meisten Keratinasen liegen zwischen 30 und 70 kDa. Neben Keratin kann Keratinase auch eine Vielzahl proteinischer Substrate hydrolysieren, einschließlich löslicher und unlöslicher Proteine. Keratinase baut lösliche Proteine wie Casein, Gelatine und Rinderserumalbumin ab. Ebenso degradiert sie unlösliche Proteine, darunter Federn, Wolle, Keratin, menschliches Haar und Nägel. Der optimale Reaktions-pH von Keratinasen liegt überwiegend im neutralen bis alkalischen Bereich, üblicherweise zwischen 7 und 10. Bei einigen Keratinasen kann der optimale pH-Wert etwa 12 erreichen. Saure Keratinasen sind vergleichsweise selten und stammen überwiegend aus Pilzen. Die optimale Reaktionstemperatur liegt im Allgemeinen bei 40 °C bis 60 °C.

Katalytischer Mechanismus

Der Mechanismus, über den Mikroorganismen Keratin abbauen, variiert; entsprechend unterscheiden sich auch die während der Degradation entstehenden Produkte. Einige Pilze reduzieren Disulfidbrücken über auf der Myzeloberfläche sezernierte Sulfite und ein saures Milieu, während Streptomyces dies durch die Bildung intrazellulärer Reduktasen erreicht. Wasserunlösliches Keratin kann jedoch nur extrazellulär in Partikelform vorliegen. Daher kann die Reduktion von Disulfidbrücken nur außerhalb der gesamten Zelle mit hoher metabolischer Aktivität erfolgen, am wahrscheinlichsten über ein zellgebundenes Redoxsystem an der Zelloberfläche, da hierfür ein enger Kontakt zwischen unlöslichem Keratin und den Zellen erforderlich ist. Beobachtungen an rein weißen, hochtemperaturtoleranten Actinomyceten zeigten, dass die Disulfidbrückenreduktion durch ein zellassoziiertes Redoxsystem durchgeführt wurde. Während der Keratolyse von S. freundii und B. licheniformis wurden keine Sulfhydrylgruppen nachgewiesen. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass das durch Reduktion der Cystin-Disulfidbrücke gebildete Cystein (-SH) rasch in andere Produkte umgewandelt wurde.

Keratinase weist tatsächlich sowohl Disulfidreduktase- als auch Polypeptidhydrolase-Aktivität auf. Derzeit wird allgemein angenommen, dass der Keratinabbau durch Keratinase in drei Schritte unterteilt ist: Denaturierung, Hydrolyse und Transaminierung. Zunächst wirkt die Disulfidreduktase auf die Keratin-Disulfidbrücken und reduziert Cystin (-S-S-) zu Cystein (-SH), wodurch die höhergeordnete Struktur des Keratins zerfällt und denaturiertes Keratinprotein entsteht. Dieses denaturierte Keratinprotein wird anschließend durch die Polypeptidhydrolase schrittweise zu Polypeptiden, Oligopeptiden und freien Aminosäuren hydrolysiert. Schließlich entstehen durch Transaminierung Ammoniak und Sulfid, wodurch Keratin vollständig hydrolysiert wird.

Anwendungen

In der Landwirtschaft kann mikrobiell produzierte Keratinase Keratin zu Polypeptiden und Aminosäuren abbauen, die zur Herstellung organischer Düngemittel genutzt werden können. Organische Düngemittel tragen nicht nur zur Entschärfung von Ressourcenengpässen bei, sondern reduzieren auch Schadstoffquellen und verbessern die Umwelt erheblich.

In der Futtermittelindustrie ist Keratin der Hauptbestandteil von Federn und weist einen Rohproteingehalt von über 80 % auf. Es enthält ein vollständiges Spektrum essenzieller Aminosäuren und stellt damit eine hochwertige Proteinquelle dar, die Fischmehl ersetzen oder teilweise substituieren kann. Daher bietet die Entwicklung und Nutzung von Federabfällen bedeutende Anwendungsperspektiven. Einerseits adressiert sie den Mangel an Proteinressourcen in der aktuellen Futtermittelindustrie, andererseits kann sie zur Lösung von Umweltverschmutzungsproblemen beitragen.

Keratinase kann zudem in der Kosmetik- und Pharmaindustrie eingesetzt werden. Keratinase ist ein wichtiger Invasionsfaktor von Dermatophyten. Daher ist die Frage, ob Keratinase-Inhibitoren oder monoklonale Anti-Keratinase-Antikörper die Keratinasewirkung hemmen, die Invasivität von Dermatophyten abschwächen und damit zur Behandlung kutaner Mykosen beitragen können, eine zentrale Forschungsrichtung im Kontext von Keratinase und Dermatophyteninfektionen. Keratinase besitzt eine hoch effiziente keratinhydrolysierende Aktivität. Der Einsatz von Keratinase zur Verbesserung der Wirkstoffpermeation in keratinhaltigen Strukturen kann die Wirksamkeit topischer Arzneimittel verbessern.