Wie wird Polyglutaminsäure gewonnen?

Die Polyglutaminsäure ist ein Molekül, das aus der Polymerisation einer Aminosäure, der Glutaminsäure, entsteht. Sie wurde vor einigen Jahrzehnten entdeckt und in verschiedenen Bereichen genutzt, wie zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie aufgrund ihrer interessanten ernährungsphysiologischen Eigenschaften, in der Medizin zur Unterstützung des Heilungsprozesses und in der Abwasserbehandlungsindustrie. Heute wird die Polyglutaminsäure auch zur Formulierung von kosmetischen Pflegeprodukten verwendet, hauptsächlich mit dem Ziel der Feuchtigkeitsversorgung. Tatsächlich wirkt dieser Wirkstoff durch verschiedene Mechanismen zur Aufrechterhaltung der Hautfeuchtigkeit, insbesondere durch die Bildung eines Films auf ihrer Oberfläche und die Stimulierung der Synthese bestimmter Moleküle, die zum naturgegebenen Feuchtigkeitsfaktor gehören, der natürlich in der Hornschicht vorhanden ist.

Die Polyglutaminsäure wird traditionell durch Biosynthese aus der L-Glutaminsäure unter Verwendung eines Gram-positiven Bakteriums aus der Klasse der Bacilli gewonnen. Bei Typology verwenden wir das Bakterium Bacillus subtilis.

Die Produktion von Polyglutaminsäure erfolgt ausschließlich durch Gram-positive Mikroorganismen der Klasse Bacilli. Zu den hauptsächlich verwendeten gehören Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis und Bacillus anthracis. Die Synthese von Polyglutaminsäure erfolgt nach einem nicht-ribosomalen Prozess, der ausschließlich durch Enzyme katalysiert wird, im Gegensatz zu sogenannten ribosomalen Peptiden, die von Ribosomen synthetisiert werden. Zur Erinnerung, Ribosomen sind Komplexe, die die Übersetzung von mRNA ermöglichen und die Proteinsynthese ermöglichen. Der nicht-ribosomale Prozess ist ein spezieller Synthesemechanismus, der nur bei Bakterien und Pilzen vorkommt. Die Synthese von Polyglutaminsäure erfolgt in zwei Hauptstufen:

• Produktion der Aminosäure L-Glutaminsäure: L-Glutaminsäure wird aus 2-Oxoglutarat, einem Zwischenprodukt des Krebszyklus, durch die Wirkung der Glutamat-Synthase und der Glutamat-Dehydrogenase hergestellt. In einigen Stämmen, wie B. licheniformis, werden diese Enzyme nicht durch das Endprodukt gehemmt, was eine hohe Anhäufung von L-Glutamat ermöglicht.

• Polymere von Glutamat: Ein Teil des L-Glutamats wird in D-Glutamat racemisiert über eine Glutamat-Racemase. Beide Formen werden dann zu Polyglutaminsäure copolymerisiert, und zwar auf einem speziellen enzymatischen Weg. Das L-Glutamat wird zunächst durch ATP aktiviert, um ein γ-Glutamyl-AMP-Intermediat zu bilden. Diese aktivierte Gruppe wird dann auf ein Trägerenzym mit einer Thiolgruppe übertragen, bevor sie in D-Glutamat umgewandelt wird. Dieses aktivierte Glutamat wird dann auf eine wachsende Kette von Polyglutaminsäure übertragen, und zwar mittels einer γ-Amidbindung. Dieser Mechanismus ermöglicht ein schrittweises Wachstum des Polymers, mit einer genauen Kontrolle des D/L-Verhältnisses je nach Bakterienstamm und Cofaktoren, wie Mn²⁺-Ionen, die die Racemase-Aktivität regulieren.

Es ist auch interessant zu wissen, dass die Synthese von Polyglutaminsäure durch eine Gruppe von Genen, die in Operons organisiert sind, gesteuert wird. Ihre Expression hängt von der biologischen Rolle ab, die das Polymer bei der Bakterie spielt: entweder als schützende Kapsel oder als freie extrazelluläre Form, wie es bei industriellen und kosmetischen Anwendungen der Fall ist. In letzterem Fall wird die Synthese von Polyglutaminsäure durch ein Operon namens pgsBCA oder pgsBCAAE je nach Stamm gesteuert, das aus den Genen pgsB, pgsC, pgsAA und manchmal pgsE besteht. Diese Gene können sich auf dem bakteriellen Chromosom oder auf einem Plasmid befinden.

Konkret basiert die industrielle Produktion von Polyglutaminsäure auf einem kontrollierten Fermentationsprozess mit bestimmten Bakterienstämmen. Diese Bakterien werden in großmaßstäblichen Fermentern kultiviert, in einer Umgebung reich an kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Substraten, in Anwesenheit von Mineralien und Cofaktoren wie Mn²⁺. Temperatur, pH-Wert, Belüftung und Rühren werden fein reguliert, um sowohl das Bakterienwachstum als auch die Synthese des Polymers zu optimieren. Nach mehreren Dutzend Stunden Fermentation wird die Polyglutaminsäure von den Bakterien in das extrazelluläre Kulturmedium ausgeschieden, was ihre Extraktion erleichtert. Das Überstand wird dann gesammelt, und die Polyglutaminsäure wird ausgefällt, oft mit Hilfe von Ethanol, gereinigt, getrocknet und manchmal nach dem gewünschten Molekulargewicht fraktioniert.