Einfluss von Mikrowelleneinstrahlung auf beta-Galaktosidase katalysierte Transglykosylierungsreaktionen

  • Influence of microwave irradiation on beta-galactosidase catalyzed transglycosylation reactions

Kamerke, Claudia; Elling, Lothar (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wurden umfassende Untersuchungen im Bereich der mikrowellenunterstützten Biokatalyse durchgeführt. Im Fokus der Studie standen beta-Galaktosidase katalysierte Transglykosylierungsreaktionen. Bei den beta-Galaktosidasen handelt es sich um zwei kommerzielle und ein rekombinantes Enzym aus dem mesophilen Organismus Bacillus circulans. Der beobachtete Mikrowelleneffekt auf die Enzymaktivität war eine anfängliche Aktivierung der kommerziellen beta-Galaktosidase, gefolgt von einer zeitabhängigen Inaktivierung des Enzyms. Es konnte auch gezeigt werden, dass bei gleicher Temperatur die Erhöhung der Einstrahlungsintensität zu einer rapideren Inaktivierung des Biokatalysators führte. Dies hatte auch entscheidenden Effekt auf die Synthese von Nukleotidoligosacchariden. Es konnte gezeigt werden, dass Mikrowelleneinstrahlung einen stabilisierenden Einfluss auf die Produktkonzentration und -verteilung hatte, was ebenfalls auf die zeitabhängige Inaktivierung des Enzyms zurückzuführen war. Diese Effekte konnten auch bei der Synthese von Galakto-Oligosacchariden, einer Klasse von nicht-verdaubaren Milcholigosacchariden mit gesundheitsfördernden Eigenschaften nachgewiesen werden. Bei der Synthese von Glykanstrukturen, die an einen chemischen Linker gekoppelt waren, konnte durch Mikrowelleneinstrahlung das Verhältnis von Strukturisomeren, die bei der Synthesereaktion entstehen, beeinflusst werden. Die zeitabhängige Aktivierung und Inaktivierung des Enzyms konnte dabei als die Hauptursache für die günstigen Syntheseverläufe aufgeklärt werden. Bei der rekombinanten beta-Galaktosidase wurden in Kooperation mit Prof. Kanaya (Department of Material and Life Science, Graduate School of Engineering, Osaka University) zusätzlich Untersuchungen der Proteinstruktur vorgenommen. Dies ist eine Annäherung an die Fragestellung nach dem Einfluss des energiereichen, elektromagnetischen Feldes auf die Proteinstruktur und des damit verbundenen, veränderten Reaktionsverhaltens des Biokatalysators. Durch Kristallisationsstudien konnte die Proteinstruktur der rekombinanten beta-1-3-Galaktosidase aufgeklärt und erste CD-Spektroskopie-Messungen durchgeführt werden. Die vorliegende Arbeit bildet damit die Grundlage für die systematische Aufklärung von Proteinstrukturelementen, die ein Enzym in die Lage versetzen, unter Mikrowelleneinstrahlung besonders effiziente Biokatalyse zu betreiben. Mit diesen Informationen könnten zukünftig Kriterien erstellt werden, nach denen Biokatalysatoren für die mikrowellenunterstützte Biokatalyse ausgewählt oder rational mutiert werden.

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