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Promiscuous acyltransferases enable transesterification reactions in bulk water by preferentially catalyzing acyl transfer over hydrolysis. Until recently, only a small number of promiscuous acyltransferases have been described in the literature, exhibiting several limitations in terms of acyltransferase efficiency and applicability. This work focuses on the discovery of novel promiscuous acyltransferases and the engineering of promiscuous acyltransferases via rational design. Several promiscuous acyltransferases in the bacterial hormone-sensitive lipase family and family VIII carboxylesterases have been identified, demonstrating that promiscuous acyltransferase activity is not a rare phenomenon. Moreover, the efficiency and applicability of the enzymes could be improved via protein engineering in terms of acyltransferase activity, enantioselectivity, and substrate scope.
This dissertation focuses on the characterization of novel enzymes and metabolic pathways that fulfill crucial functions during marine carbohydrate degradation by Bacteroidetes and thus contributes to an advanced understanding of the global carbon cycle. Depolymerization and utilization of marine polysaccharides by Bacteroidetes requires a tremendous repertoire of enzymes with a wide range of functions. For instance, during the breakdown of the marine red algal polysaccharide porphyran, an oxidative demethylation of the methoxy sugar 6-O-methyl-D-galactose (G6Me) by cytochrome P450 monooxygenases occurs. This reaction produces huge amounts of cytotoxic formaldehyde, marine bacteria capable of degrading porphyran must therefore possess suitable formaldehyde detoxification pathways. Consequently, Article I focus on the identification of possible formaldehyde detoxification pathways in marine
Flavobacteriia, which led to the discovery of the ribulose monophosphate pathway as specific pathway for the detoxification of formaldehyde in certain Bacteroidetes like Zobellia galactanivorans. Furthermore, it was demonstrated in Article II that alcohol dehydrogenases play an essential role in the microbial utilization of G6Me and therefore possess a function in porphyran degradation. Discovering novel enzymes, entire enzymatic cascades or biotechnologically important microorganisms that can metabolize these marine carbohydrates also contributes to the utilization of marine polysaccharides as feedstock for potential biotechnological applications. A prospective biorefinery process was proposed in Article III by the identification of Bacillus licheniformis as promising utilizer of marine carbohydrate-derived monosaccharides and the creation of a microbial cell factory capable of growing on ulvan, a marine carbohydrate obtainable from algal bloom-dominating green algae, enabling an industrial use of the renewable and abundant algal biomass in future.
Die Hälfte der globalen Primarproduktion wird in den Ozeanen realisiert und dabei wird ein großer Anteil des fixierten CO2 genutzt, um Algenpolysaccharide zu synthetisieren. Diese Kohlenhydrate dienen als wichtige Kohlenstoff- und Energiequelle für marine Nahrungsnetze, wobei sie von kohlenhydrataktiven Enzymen zu monomeren Zuckern umgesetzt werden. Da bisher wenig über den enzymatischen Abbau von Algenpolysacchariden in den Ozeanen bekannt ist, war es das Ziel dieser Arbeit, zu einem tieferen Verständnis dieser Prozesse beizutragen.
O-Methylierungen stellen stabile Modifikationen an Zuckern in marinen und terrestrischen Polysacchariden dar. Es wurde in Artikel I gezeigt, dass Cytochrom P450 Monooxygenasen eine wichtige Funktion in enzymatischen Abbausystemen aus marinen Bakterien für Agar haben, wobei diese Enzyme die oxidative Demethylierung von 6-O-Methyl-D-galaktose, einem Monomer aus Rotalgenpolysacchariden, katalysieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass es sich bei der P450-Subfamilie CYP236A um die zweite beschriebene Gruppe von kohlenhydrataktiven Monooxygenasen handelt. Die charakterisierten P450s sind hochspezifisch für 6-O-Methyl-D-galaktose und akzeptieren keine typischen P450-Substrate. Um die molekularen Faktoren für den spezifischen Umsatz dieses polaren Substrates aufzuklären, wurde Proteinkristallografie genutzt (Artikel II). Die Kristallstruktur der P450 Monooxygenase aus Z. galactanivorans mit gebundenem Substratmolekül zeigt, dass sowohl Wasserstoffbrückenbindungen als auch hydrophobe Interaktionen an der Substraterkennung beteiligt sind, was zusätzlich durch ITC sowie Mutationsstudien bestätigt wurde.
Schnellwachsende Grünalgen der Gattung Ulva führen weltweit zu gefährlichen Algenblüten. Ein Hauptbestandteil der gebildeten Biomasse stellt das anionische Polysaccharid Ulvan dar. Bisher war der enzymatische Ulvanabbau kaum verstanden, was die sinnvolle Nutzung von Ulva-Biomasse erschwerte. Die detaillierte biochemische Charakterisierung einer Ulvanlyase auf F. agariphila wird in Artikel III gezeigt. Dieses Enzym katalysiert den ersten Schritt im Ulvanabbau und die biochemischen Parameter stimmen mit den Umweltbedingungen in Küstenbereichen des gemäßigten Ozeans überein, dem Habitat, aus dem dieses Bakterium isoliert wurde. Alle nachfolgenden Schritte im kompletten enzymatischen Ulvanabbau wurden aufgeklärt und sind in Artikel IV zum ersten Mal beschrieben. Insgesamt 13 Enzyme aus den Klassen der Polysaccharidlyasen, Glykosidhydrolasen sowie Sulfatasen agieren in einer komplexen Kaskade zusammen, um schlussendlich monomere Zucker aus Ulvan bereitzustellen.
Die gezeigten Identifizierungen und Charakterisierungen von neuen kohlenhydrataktiven Enzymen tragen nicht nur zu einem besseren Verständnis der Vorgänge im marinen Kohlenstoffkreislauf bei, sondern bilden zudem die Grundlage für zukünftige biotechnologische Prozesse. Eine effiziente enzymatische Depolymerisation der Algenpolysaccharide ist nötig, um Bioraffineriekonzepte basierend auf Algenkohlenhydraten zu realisieren. Dabei können über mikrobielle Fermentation Biokraftstoffe der zweiten Generation oder andere nützliche Produkte hergestellt werden.