Wie wird Ectoin gewonnen?

DieEctoin, chemisch bekannt als 1,4,5,6-Tetrahydro-2-methyl-4-pyrimidinecarbonsäure, ist eine aus Aspartat abgeleitete Aminosäure. Sie wird von den halophilen Bakterien synthetisiert, die in salzreichen Umgebungen leben, über die Biosynthese von Aminosäuren aus der Aspartatfamilie mit den enzymatischen Reaktionen von drei Hauptenzymen: der L-2,4-Diaminobutyrat-Transaminase, der L-2,4-Diaminobutyrat-Acetyltransferase und der Ectoin-Synthase. Eine sehr salzige Umgebung löst oft die Expression dieser Ectoin-synthetisierenden Enzyme aus.

Industrielle Produktionsmethode von Ectoin.

Die am häufigsten zur industriellen Produktion verwendeten Bakterien, die Ectoin synthetisieren, gehören zur Familie der Halomonas, wie Halomonas salina, Halomonas boliviensis und Halomonas elongata. Die vielfältigen Anwendungen von Ectoin in verschiedenen Industrien haben dazu geführt, dass seine Produktion im großen Maßstab entwickelt wurde, um der wachsenden Marktnachfrage gerecht zu werden.

Intrazelluläre Produktion von Ectoin.

Die Industrien verwenden im Allgemeinen die "bakterielle Melkung" durch mikrobielle Fermentation. Ein salzreiches Medium mit zusätzlicher Kohlenstoff- und Stickstoffversorgung wird verwendet, um die Biosynthese von Ectoin zu stimulieren. Die Bakterienzellen werden dann durch ein salzarmes Medium geschockt, um das synthetisierte Ectoin in das Medium freizusetzen.

Allerdings liefert diese Technik in der Regel geringe Erträge und erfordert mehrere nachgelagerte Prozessschritte zur Reinigung von Ectoin, um akzeptable hohe Erträge zu erzielen. Darüber hinaus ist ein Nachteil der regelmäßigen Verwendung einer hohen Salzkonzentration die Korrosivität der hohen Salinität für Materialien und Ausrüstungen, was anschließend das Wachstum von Mikrobenzellen und die Gesamterträge der Ectoin-Produktion reduziert.

Extrazelluläre Produktion von Ectoin.

Bestimmte Stämme, wie Halomonas salina, können extrazelluläres Ectoin mit einer niedrigen Salzkonzentration synthetisieren. Die wachsenden Zellen werden in einem Fermentationsmedium kultiviert, das Glutamat als Hauptquelle für Kohlenstoff und Stickstoff enthält. Wenn sie die späte exponentielle Wachstumsphase erreicht haben, werden phosphatbegrenzte Wachstumszellen zur Produktion von Ectoin verwendet.

Darüber hinaus wurden heterologe Ectoin-Produzenten entwickelt, also Arten, die sich von denen unterscheiden, die das natürliche Molekül produzieren, durch Einbau des Ectoin-Synthesegens in nicht-halophile Mikroorganismen, wie Escherichia coli. Ectoin kann von heterologen Produzenten synthetisiert und extrazellulär ausgeschieden werden. Diese "Rekombination" ist relevant, da sie auch keine hohe Salinität benötigen.

Die Gewinnung von extrazellulärem Ectoin aus dem Fermentationsmedium ist relativ einfach im Vergleich zur Gewinnung von intrazellulärem Ectoin aus mikrobiellen Zellen, da es direkt ausgeschieden wird, ohne dass ein zellulärer Schock erforderlich ist. Die Produktionskosten für extrazelluläres Ectoin im industriellen Maßstab können durch die minimale Verwendung von Salz und die Eliminierung zusätzlicher Schritte zur Extraktion von intrazellulärem Ectoin aus mikrobiellen Zellen reduziert werden.

Allerdings sind bis heute nur eine begrenzte Anzahl von Bakterienstämmen bekannt, die Ectoin auf extrazellulärer Ebene ausscheiden.