Which properties of cutinases are important for applications? Nyyssölä, Antti. "Which properties of cutinases are important for applications?." Applied microbiology and biotechnology 99.12 (2015): 4931-4942. Universität des Saarlandes, 02.11.2016, Carolina Schillinger

Überblick 1.) Cutinasen - enzymatische Eigenschaften - Natürliche Substrate: Suberin & Cutin 2.) Cutinasen in der industriellen Anwendung - Verwendung von Cutinasen in der Texilverarbeitung - Cutinasen in Detergenzien - Cutinasen zur Isolation von Fettsäuren aus Biomasse - Cutinasen in der Biokatalyse 3.) Schlussfolgerung/Diskussion

1.) Cutinasen- enzymatische Eigenschaften = extrazelluläre α/β-Hydrolasen  Serinproteasen mit katalytischer Triade - v.a. produziert von pflanzenpathogenen Pilzen & Bakterien - katalysieren die Hydrolyse der pflanzlichen Polyester von Cuticula & Suberin sowie Umesterungen/Veresterungen & hydrolysieren Lipide, Wachse & viele synthetische Ester  multifunktionale Enzyme - optimaler pH-Wert allgemein im Neutralen-Alkalischen - optimale Temperaturen: 25-50 Grad

1.) Cutinasen- Natürliche Substrate: Cutin - Cuticula = pflanzliche Schutzschicht von Früchten & Blättern  Hauptkomponente: Cutin - Cutin = Polyester, v.a. bestehend aus Mono-, Di- & Tri-Hydroxyfettsäuren mit 16C- und 18C-Kohlenstoffketten Blattstruktur Struktur Cutin

1.) Cutinasen- Natürliche Substrate: Suberin = pflanzliches Biopolymer, in Zellwänden von Rinde und Wurzel eingelagert - schützt Pflanze (z.B. Bäume, Sträucher, Rebstöcke) gegen Wasserverlust - besteht aus 2 verschiedenen Domänen: Polyphenolische & Polyester Domäne - Polyester-Domäne anfällig für Cutinasen-Hydrolyse Zelle 1 Zelle 2 2 benachbarte Wurzelzellen

2.) Cutinasen in der industriellen Anwendung-Textilverarbeitung a.) Baumwolle Zur besseren Benetzbarkeit der Fasern muss hydrophobe Cuticula entfernt werden Chemisches Laugieren ersetzt durch enzymatische Hydrolyse mit Cutinasen & Pectinasen - Notwendige Eigenschaften der Cutinasen:  pH-Werte der aktiven Enzyme müssen überein stimmen  Stabilität in Anwesenheit nicht-ionischer Detergenzien  Stabilität in Anwesenheit höherer Temperaturen (Bsp. Cutinasen aus Thermobifida fusca) http://www.urbanara.de/magazin/wp-content/uploads/Aegyptische_Baumwolle_2.jpg

2.) Cutinasen in der industriellen Anwendung-Textilverarbeitung b) Synthetische Textilien (z.B. PET= Polyethylenterephthalat) Hydrophilisierung u.a. zur verbesserten Feuchtigkeitsdurchlässigkeit nötig Endo-hydrolysierende Cutinasen erforderlich Problem: Cutinasen Aktivität gegenüber PET zu gering Lösung: gezieltes Protein engineering  Durch Austausch sperriger Seitenketten am aktiven Zentrum kann PET besser aufgenommen & gebunden werden

2.) Cutinasen in der industriellen Anwendung-Detergenzien Fungieren als lipolytische Enzyme zur Fettentfernung Notwendige Eigenschaften der Cutinasen (v.a. von Fusarium solani pisi): Breites Spezifität gegenüber unterschiedlich aufgebauten Wachsen & Lipiden Aktivität sollte unabhängig von Ca2+-Ionen Konzentration sein Stabilität der Enzyme gegenüber anderer Detergenzkomponenten (z.B. Proteasen, Tenside) Stabilität bei pH-Wert von 8-11 notwendig http://www.persil.de

2.) Cutinasen in der industriellen Anwendung- Isolation von Fettsäuren aus Biomasse Isolation von Cutin (z.B. aus Gemüse-/Fruchtabfall) und Suberin (z.B. aus Abfallprodukten der Papierindustrie) und enzymatische Hydrolyse  Gewinnung polyfunktionaler Fettsäuren zur oleochemischen Produktion Notwendige Eigenschaften der Cutinasen: Erhaltung von epoxy-, hydroxy und dicarboxylsäure-Funktionalitäten Umgebungsbedingungen aktiver Cutinasen müssen mit denen anderer Enzyme (zur effizienten Hydrolyse/Fraktionierung von Biomasse nötig) übereinstimmen

2.) Cutinasen in der industriellen Anwendung- Biokatalyse Freie, immobilisierte oder in inversen Mizellen eingeschlossene Cutinasen als Biokatalysatoren in Umesterungs- und Veresterungsreaktionen  z.B. Gewinnung von linearen alkyl Estern für Biodiesel Notwendige Eigenschaften der Cutinasen: Aktivität bei saurem pH Cutinasen in Mikroemulsion: Stabilität in Anwesenheit von Tensiden (z.B. AOT= Bis(2- ethylhexyl) sulfosuccinat) & gegenüber weiteren Komponenten des Reaktions- gemisches (z.B. Methanol) Temperaturstabilität für Polyester-Synthese

2.) Cutinasen in der industriellen Anwendung- Biokatalyse Problem: Inaktivierung der Cutinase von F. solani pisi durch AOT  AOT löst Konformationsänderungen am aktiven Zentrum aus: Entstehung einer hydrophoben Spalte  Enzym inaktiv Lösung: Gezieltes Protein engineering um die Konformationsänderung zu verhindern  Ersatz von Tyrosin durch Cystein

3.) Schlussfolgerung/Diskussion Allgemein Vorteile Enzymreaktion gegenüber chemischer Katalyse: - Enzyme arbeiten bei niedriger Reaktionstemperatur - weniger Abfall/Nebenprodukte - Enzyme tolerieren Luft & Wasser - hohe Spezifität Nur wenige Cutinasen (von Thermobifida fusca, Humicola insolens & Fusarium solani pisi) wurden für industrielle Anwendungen getestet  direkte Konkurrenz zu Lipasen & Esterasen

3.) Schlussfolgerung/Diskussion Verstärktes Protein engineering, um Enzym Eigenschaften industriellen Anwendungen anzupassen Screening natürlicher Stämme & von Metagenombibliotheken um weitere Cutinasen mit neuen Eigenschaften zu identifizieren Optimieren von Reaktionsbedingungen und Reaktionsgemischen, um Prozesse effizienter zu gestalten Immobilisierung sollte weiterhin eingesetzt und optimiert werden

Quellen http://www.persil.de/de/_jcr_content/stage/image.adapt.0.medium.png/cc 69d8f3d4e3513047d0f0cea0c7014e/400x377_new_2015_1_starseite_colorgelu nimegaperls2.png Nyyssölä, Antti. "Which properties of cutinases are important for applications?." Applied microbiology and biotechnology 99.12 (2015): 4931- 4942. http://www.urbanara.de/magazin/wp- content/uploads/Aegyptische_Baumwolle_2.jpg

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