Analyse und maßgeschneiderte Produktion von γ-Polyglutaminsäure mit definierter Molekulargewichtsverteilung und Zusammensetzung

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Kyra Hoffmann

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γ-Polyglutaminsäure (PGA) ist ein anionisches, wasserlösliches, biologisch abbaubares, ungiftiges und sogar essbares Biopolymer, das natürlicherweise von verschiedenen Arten der Gattung Bacillus hergestellt wird. PGA besteht aus bis zu 10.000 D- und/oder L‑Glutaminsäureeinheiten und lässt sich anhand des Molekulargewichts sowie dem Verhältnis bzw. der Abfolge von D- und L-Glutaminsäure im Polymer charakterisieren. Im Gegensatz zu Proteinen, wo Aminosäuren über α-Peptidbindungen miteinander verknüpft sind, werden die Glutaminsäureeinheiten im PGA-Molekül über γ-Peptidbindungen kovalent miteinander verbunden. Dadurch ist PGA stabil gegenüber Proteasen.

Es gibt viele verschiedene Anwendungsbereiche für das Biopolymer, beispielsweise in der Nahrungsmittel- oder Kosmetikindustrie, in der Abwasserbehandlung, sowie in der pharmazeutischen Industrie. Mikrobiell erzeugtes PGA hat ein großes Molekulargewicht, das meistens zwischen 100 und 10.000 kDa liegt, und eine hohe Polydispersität. Speziell für pharmazeutische Anwendungen wie PGA-Konjugate, Nanopartikel oder Hydrogele wird jedoch PGA mit einem spezifischen Molekulargewicht und einer sehr niedrigen Polydispersität benötigt. Zudem sind bestimmte Verhältnisse von D- zu L-Glutaminsäure oder reine D- oder L-Polymere gefragt.

Es ist daher das Ziel des Projekts, die selektive Produktion von maßgeschneidertem PGA mit einer definierten Zusammensetzung von D- und L-Glutaminsäure sowie einem spezifischen Molekulargewicht und einer engen Molekulargewichtsverteilung zu realisieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die gemeinsame Expertise der drei Kooperationspartner eingesetzt. Die Gruppe von Prof. Blank ist dabei für die gentechnischen Veränderungen der eingesetzten Bacillus-Stämme verantwortlich. Es sollen verschiedene molekularbiologische Techniken und Strategien angewendet werden, um die Selektivität des produzierten PGAs zu erhöhen. Die Gruppe von Prof. Büchs wird Wachstum und Produktbildung der genetisch veränderten Stämme charakterisieren und die optimalen Produktionsbedingungen ermitteln. Dazu werden sowohl Kultivierungen im Schüttelkolben als auch im Rührkessel durchgeführt und mit Hilfe von Online-Messtechnik überwacht und geregelt. Zusätzlich werden zu geeigneten Zeitpunkten, die sich aus der Online-Prozessüberwachung ergeben, Proben gezogen und das gebildete PGA hinsichtlich D/L-Verhältnis, Molekulargewicht und Polydispersität analysiert. Darüber hinaus wird die Arbeitsgruppe von Prof. Fukusaki ausführliche Metabolomanalysen bei den verwendeten Produktionsstämmen durchführen, um ein besseres Verständnis des PGA-Synthesewegs und seiner Regulation zu erhalten.

Kooperationspartner:

Prof. L. M. Blank, RWTH Aachen / Prof. E. Fukusaki, Osaka University

Förderung:

International Research Training Group “Selectivity in Chemo- and Biocatalysis - SeleCa” (GRK 1628) funded by DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)

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