Fachbereich 13 - Biologie
Institut für Molekulare Mikrobiologie und Biotechnologie
Arbeitskreis Prof. Dr. Alexander Steinbüchel

Biosynthese von Polyamiden

Die ribosomenunabhängigen Synthesen von Polyamiden wie Poly(g-D-Glutamat) und Cyanophycin durch Bakterien stehen im Zentrum dieses Schwerpunktes. So wurden u. a. Gene für das Schlüsselenzym der Cyanophycinysynthese, die Cyanophycin-Synthetasen, aus zahlreichen Cyanobakterien kloniert und molekulargenetisch charakterisiert. Zunächst Vergleiche mit Aminosäuresequenzen aus Datenbanken und später physiologische und molekulargenetische Untersuchungen ergaben dabei, dass Cyanophycin auch außerhalb der Gruppe der Cyanobakterien vorkommt.

Cyanophycin-Synthetasen wurden heterolog in Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum, Ralstonia eutropha und einigen anderen Bakterien exprimiert. Diese rekombinanten Bakterienstämme wurden zur biotechnologischen Produktion von Cyanophycin herangezogen um Proben zur Charakterisierung der Materialeigenschaften und anderer Enzymeigenschaften von Cyanophycin zu erhalten. In Zusammenarbeit mit dem das Projekt fördernden Industriepartner wurde ein neues Verfahren zur Extraktion von Cyanophycin aus Bakterienzellen entwickelt, welches keinen Zellaufschluss mehr erfordert.

Der Stoffwechsel von Cyanophycin sowie die Synthese von Poly(g-D-Glutamat) werden zzt. im Hinblick auf Möglichkeiten zur Synthese on Polyasparaginsäure untersucht. In diesem Zusammenhang wird auch der mikrobielle Abbau von Cyanophycin untersucht. Dabei könnten erstmals Bakterien isoliert werden, die Cyanophycinasen ins Medium ausscheiden und dadurch Cyanophycin als alleinige Kohlenstoffquelle zum Wachstum verwerten können. Es wird ferner geprüft, ob die Synthese von Cyanophycin oder Poly(g)-D-glutamat) genutzt werden kann, damit der in hoher Konzentration in Gülle vorkommende Ammoniumstickstoff in Biomasse überführt werden kann, damit dieser bei der Ausbringung von Gülle auf Felder und Wiesen weniger schnell in das Grundwasser gelangt.

Drittmittelgeber:

Bayer AG (Leverkusen), Bayer AG (Monheim), BML über Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (Gülzow)

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. Dr. Alexander Steinbüchel (Leiter), Dr. El-Sayed Aboulmagd, Dr. Fred-Bernd Oppermann-Sanio, Dr. Tran Hai, Dr. Francis Hezayen, Dipl.-Ing. Herbert Ahlers, Dipl.-Biol. Firat Atasoy, Dipl.-Biol. Kay M. Frey, Dipl.-Biol. Astrid Hoppensack, Dipl.-Biol. Martin Krehenbrink Dipl.-Biol. Andreas Krug, Dipl.-Biol. Martin Obst, Dipl.-Biol. Markus Pötter, Dipl.-Biol. Ingo Voß, Ahmed Sallam, Simone Diniz

Veröffentlichungen:

Aboulmagd, E., F. B. Oppermann-Sanio, A. Steinbüchel: Purification of Synechocystis sp. Strain PCC6308 Cyanophycin Synthetase and Its Characterization with Respect to Substrate and Primer Specificity, Appl. Environ. Microbiol. 67, 2176-2182, 2001

Aboulmagd, E., I. Voss, F. B. Oppermann-Sanio, A. Steinbüchel: Heterologous Expression of Cyanophycin Synthetase and Cyanophycin Synthesis in the Industrial Relevant Bacteria Corynebacterium glutamicum and Ralstonia eutropha and in Pseudomonas putida, Biomacromolecules 2, 1338-1342, 2001

Hai, T., S. Hein, A. Steinbüchel: Multiple evidence for widespread and general occurrence of type-III PHA synthases in cyanobacteria and molecular characterization of the PHA synthases from two thermophilic cyanobacteria: Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912 and Synechococcus sp. strain MA19, Microbiology 147, 3047-3060, 2001

Hezayen, F. F., B. H. A. Rehm, B. J. Tindall, A. Steinbüchel: Transfer of Natrialba asiatica B1T to Natrialba taiwanensis sp. nov. and description of Natrialba aegyptiaca sp. nov., a novel extremely halophilic, aerobic, non-pigmented member of the Archaea from Egypt that produces extracellular poly(glutamic acid), Intern. J. Syst. Evol. Microbiol. 51, 1133-1142, 2001

Krug, A.: Isolierung anaerober, Cyanophycin abbauender Bakterien und Charakterisierung der Cyanophycin spaltenden Enzyme, Diplomarbeit Universität Münster, Fachbereich Biologie, 2001

Pötter, M., F. B. Oppermann-Sanio, A. Steinbüchel: Cultivation of Bacteria Producing Polyamino Acids with Liquid Manure as Carbon and Nitrogen Source, Appl. Environ. Microbiol. 67, 617-622, 2001

Rehder, D.: Identifizierung und Charakterisierung von Conyferylaldehyd Dehydrogenasen ohne Vanillin Dehydrogenase Nebenaktivität, Diplomarbeit Universität Münster, Fachbereich Biologie, 2001

Aboulmagd, E.: Molecular and Biochemical Characterization of Cynaophycin Synthetase from Synechocystis sp. Strain PCC6308 and Anabaena sp. Strain PCC7120, Dissertation Universität Münster, Fachbereich Biologie, 2002

Frey, K. M., F. B. Oppermann-Sanio, H. Schmidt, A. Steinbüchel: Technical-scale production of cyanophycin with recombinant strains of Escherichia coli, Appl. Environ. Microbiol. 68, 3377-3384, 2002

Krehenbrink, M.: Vorkommen von Cyanophycin und ähnlichen Polymeren außerhalb der Cyanobakterien, Diplomarbeit Universität Münster, Fachbereich Biologie, 2002

Krehenbrink, M., F. B. Oppermann-Sanio, A. Steinbüchel: Evaluation of non-cyanobacterial genome sequences for occurrence of genes encoding proteins homologous to cyanophycin synthetase and cloning of an active cyanophycin synthetase from Acinetobacter sp. strain DSM 587, Arch. Microbiol. 177, 371-380, 2002

Oppermann-Sanio, F. B., A. Steinbüchel: Occurrence, functions and biosynthesis of polyamides in microorganisms and biotechnological production, Naturwissenschaften 89, 11-22, 2002

Obst, M., F. B. Oppermann-Sanio, H. Luftmann, A. Steinbüchel: Isolation of cyanophycin-degrading bacteria, cloning and characterization of an extracellular cyanophycinase gene (cphE) from Pseudomonas anguilliseptica strain BI, J. Biol. Chem. 277, 25096-25105, 2002

Sallam, A.: Investigation of cyanophycin-degrading Gram-positive bacteria and molecular and biochemical characterization of ectracellular cyanophycinases, Diplomarbeit Universität Münster, Fachbereich Biologie, 2002

Tran, H., F. B. Oppermann-Sanio, A. Steinbüchel: Molecular characterization of a thermostable cyanophycin synthetase from the thermophilic cyanobacterium Syntechococcus sp. strain MA19 and in vitro synthesis of cyanophycin and related polyamides, Appl. Environ. Microbiol. 68, 93-101, 2002