Inżynieria enzymów na potrzeby rozwoju zastosowań biotechnologicznych
Glikozylacja jest szeroko stosowanym procesem poprawiającym rozpuszczalność zdrowej żywności lub związków leczniczych, wzmacniającym aktywność niektórych antybiotyków lub modulującym właściwości pod względem smaku lub zapachu. Przeprowadzanie reakcji glikozylacji metodą enzymatyczną zamiast w drodze syntezy chemicznej stanowi bardziej specyficzną, wydajną i przyjazną dla środowiska opcję, która zużywa mniej energii. Jednak glikozylotransferazy (GT) – enzymy uczestniczące w procesie glikozylacji – potrzebują do funkcjonowania cukrów aktywowanych nukleotydami, które są zbyt drogie do zastosowań przemysłowych. W ramach finansowanego ze środków UE projektu SUSY SUSY zaproponowano rozwiązanie tego problemu poprzez opracowanie bardziej opłacalnego, wieloetapowego procesu opartego na unikalnych właściwościach trzech rodzajów enzymów modyfikujących cukier: lewanukrazy, syntazy sacharozowej i transferazy glikozylowej. „Postanowiliśmy jako punkt początkowy procesu wykorzystać sacharozę, która jest bardzo tanim i obfitym substratem”, wyjaśnia koordynator projektu, prof. Tom Desmet. „Łącząc trzy enzymy w ramach wieloetapowego procesu, poddajemy recyklingowi drogie związki pośrednie w całym procesie, znacznie zmniejszając koszt glikozylowanych produktów”, kontynuuje. Modyfikowane enzymy o nowych właściwościach Poczyniono znaczne wysiłki w celu wyeliminowania pewnych ograniczeń związanych z naturalnymi wariantami wykorzystywanych enzymów, takich jak wąska specyficzność i ograniczona stabilność. W tym kontekście naukowcy przeprowadzili rozległe działania w zakresie inżynierii molekularnej, aby zidentyfikować nowe warianty enzymów o ulepszonej charakterystyce, w tym o większej specyficzności wobec substratów. Wykorzystali wiele różnych systemów ekspresji do rekombinacyjnej ekspresji zmodyfikowanych enzymów. Ponadto zespół zidentyfikował warianty enzymów pochodzenia roślinnego i bakteryjnego, których długoterminową stabilność zwiększono przy wykorzystaniu protokołów ko-immobilizacji. W szczególności syntaza sacharozowa pozyskana z gatunku Acidiothiobacillus caldus, organizmu prokariotycznego występującego w ekstremalnych temperaturach, okazała się najlepszym kandydatem do celów inżynierii. Enzym był aktywny w podwyższonych temperaturach i wykazywał zwiększoną termostabilność, jak również zgodność z alternatywnymi substratami. Skuteczną izolację i dalsze przetwarzanie produktów glikozylacji przeprowadzono z zastosowaniem wysokowydajnych protokołów chromatografii cieczowej. Procesy przyjazne dla środowiska W końcowej fazie projektu uzyskaną wiedzę i informacje wykorzystano do stworzenia warunków przeprowadzania procesów glikozylacji na dużą skalę, które pozwalałyby na uzyskanie do 100 g produktu. Operacje te realizowano w zakładach pilotażowych partnerów konsorcjum. Wyniki tych działań wykazały potencjał gospodarczy technologii SUSY i wpłyną korzystnie na późniejszą waloryzację wyników projektu i technologii. Co ważne, badacze ocenili wpływ nowo opracowanych procesów biokatalitycznych na środowisko, pokazując, że zużyta energia zmniejszyła ślad ekologiczny całego procesu. Ponieważ enzymy służą jako ważne biokatalizatory przewyższające syntezę chemiczną, oczekuje się, że wyniki projektu SUSY poprawią i rozwiną zastosowania biotechnologiczne w przemyśle spożywczym, chemicznym, farmaceutycznym i kosmetycznym. Technologia ta może zostać rozszerzona na galakto-, manno- i fukozylację, co poszerza zakres syntezowanych produktów. Jednocześnie technologia SUSY będzie napędzać rozwój przemysłu chemicznego, zapewniając ramy dla opłacalnej produkcji glikozydów, co doprowadzi do stworzenia całej gamy nowych związków. Jak przewiduje prof. Desmet, „biokataliza stanie się głównym filarem ekologicznych procesów chemicznych, a enzymy będą zapewniać znaczące korzyści ekologiczne, biorąc pod uwagę małą ilość zużywanej energii i brak toksycznych odpadów w tych procesach”.
Słowa kluczowe
SUSY, glikozylacja, glikozylotransferaza, enzym, biokatalizator
