Gewinnung und Anwendung kompatibler Solute

Kompatible Solute sind niedermolekulare Substanzen, die in hoher Konzentration (> 2 M) in Zellen akkumuliert werden können, ohne den Zellstoffwechsel zu beinträchtigen. Sie werden häufig von "extremophilen" Mikroorganismen als Schutzstoffe synthetisiert und stabilisieren Biomoleküle und ganze Zellen gegenüber Streßfaktoren wie z.B. geringe Wasseraktivität, hohe Temperaturen und denaturierende Agenzien. Diese Eigenschaften lassen ein breites Anwendungspotential in der Bio- und Enzymtechnologie erwarten. Besonders effektive Stabilisatoren, wie z.B. die Ectoine, können durch chemische Synthese zur Zeit nicht wirtschaftlich produziert werden, so daß die Entwicklung biotechnologischer Produktionsverfahren im Vordergrund steht.

Unter Nutzung der besonderen Eigenschaften eines extrem haltoleranten Produzentstammes Halomonas elongata haben wir ein Produktionsverfahren für Ectoin entwickelt, das unter dem Schlagwort "Bakterienmelken" bekannt geworden ist und zur Zeit von unserem Firmenpartner (bitop GmbH, Witten) auf den Pilotmaßstab übertragen wird. Weitergehende Entwicklungen im Bereich "extremophiler Zellfabriken" zielen darauf ab, diese Schutzstoffe durch Hochzelldichte-Fermentation mit halo-alkaliphilen denitrifizierenden Mikroorganismen zu produzieren.
Parallel dazu befassen wir uns mit der Frage, die molekularen Ursachen für die stabilisierende Wirkung kompatibler Solute aufzuklären. Wir konnten in diesem Zusammenhang bereits zeigen, daß wahrscheinlich eine Modulation der Eigenschaften des Lösungsmittels Wasser als der entscheidende stabilisierende Faktor in Frage kommt. Über differentialcalorimetrische Messungen an einem Modellenzym (RNase A) konnten wir demonstrieren, daß in Gegenwart kompatibler Solute die thermodynamischen Parameter ΔH, &DeltaS und &DeltaCp eine Veränderung erfahren, die dazu führt, daß der Stabilitätsbereich des Enzyms zu höheren Temperaturen ausgedehnt wird. Weiterführende Untersuchungen sollen durch systematische Modifikationen des Moleküls Ectoin das wesentliche Strukturelement für die makroskopischen Eigenschaften ausfindig.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. Dr. E.A. Galinski (Leiter), Prof. Dr. W.D. Grant (Leicester, GB), Dr. S. Knapp (Huddinge, Scheden), Dr. T. Schwarz (bitop GmbH, Witten), Dr. T. Sauer, Dipl.-Biol. K. Karla, Dipl.-Chem. P. Voß, Dipl.-Biol. T. Thomas

Veröffentlichungen:

Sauer T, Galinski EA (1998): Bacterial milking: a novel bioprocess for the production of compatible solutes. Biotech Bioeng 57: 306-313

Galinski EA, Sauer T (1998): Production and application of natural stabilizing compounds from halotolerant bacteria. In: LeGal Y, Halvorson HO (eds) New Developments in Marine Biotechnology. Plenum Press, New York, pp. 201-203