Überblick 1.) Cutinasen - enzymatische Eigenschaften - Natürliche Substrate: Suberin & Cutin 2.) Cutinasen in der industriellen Anwendung - Verwendung.

Präsentation zum Thema: "Überblick 1.) Cutinasen - enzymatische Eigenschaften - Natürliche Substrate: Suberin & Cutin 2.) Cutinasen in der industriellen Anwendung - Verwendung."—  Präsentation transkript:

0 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): Universität des Saarlandes, , Carolina Schillinger

1 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

2 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: Grad

3 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

4 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

5 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)

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 Quellen 69d8f3d4e d0f0cea0c7014e/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): content/uploads/Aegyptische_Baumwolle_2.jpg

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