Kristallstruktur der β- Glucosidase aus Thermotoga neapolitana (PDB: 5IDI ). Thermostabiles Protein, aktiv bei 80 °C und mit einer Entfaltungstemperatur von 101 °C. [ 1 ]

In der Materialwissenschaft und Molekularbiologie bezeichnet Thermostabilität die Fähigkeit eines Stoffes , irreversiblen Veränderungen seiner chemischen oder physikalischen Struktur zu widerstehen, oft durch Widerstand gegen Zersetzung oder Polymerisation , bei einer hohen relativen Temperatur .

Thermostabile Werkstoffe können industriell als Flammschutzmittel eingesetzt werden . Der Begriff „thermostabiler Kunststoff“ ist eher unüblich und bezieht sich wahrscheinlich auf einen Duroplast , der sich beim Erhitzen nicht umformen lässt, und weniger auf einen Thermoplasten , der wieder eingeschmolzen und neu gegossen werden kann.

Thermostabilität ist ebenfalls eine Eigenschaft einiger Proteine . Ein thermostabiles Protein ist resistent gegen Veränderungen seiner Struktur durch Wärmezufuhr.

Thermostabile Proteine

Durch die Wärmezufuhr werden die intramolekularen Bindungen in der Tertiärstruktur der Proteine ​​gestört, wodurch sich das Protein entfaltet und inaktiv wird.

Die meisten Lebensformen auf der Erde leben bei Temperaturen unter 50 °C, üblicherweise zwischen 15 und 50 °C. In diesen Organismen befinden sich Makromoleküle (Proteine ​​und Nukleinsäuren), die die für ihre enzymatische Aktivität essenziellen dreidimensionalen Strukturen bilden. [ 2 ] Oberhalb der natürlichen Temperatur des Organismus kann thermische Energie zur Entfaltung und Denaturierung dieser Strukturen führen , da die Hitze die intramolekularen Bindungen in der Tertiär- und Quartärstruktur aufbrechen kann. Diese Entfaltung führt zu einem Verlust der enzymatischen Aktivität, was verständlicherweise schädlich für die Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen ist. Ein Beispiel hierfür ist die Denaturierung von Proteinen in Albumin , wodurch diese von einer klaren, nahezu farblosen Flüssigkeit zu einem undurchsichtigen, weißen, unlöslichen Gel werden.

Proteine, die im Vergleich zu Proteinen, die dies nicht können, solch hohen Temperaturen standhalten, stammen im Allgemeinen von hyperthermophilen Mikroorganismen. Diese Organismen können Temperaturen über 50 °C widerstehen, da sie üblicherweise in Umgebungen mit Temperaturen von 85 °C und darüber leben. [ 3 ] Es gibt bestimmte thermophile Lebensformen , die Temperaturen darüber hinaus tolerieren und entsprechende Anpassungen aufweisen, um die Proteinfunktion bei diesen Temperaturen zu erhalten. [ 4 ] Dazu gehören veränderte Eigenschaften der Zelle insgesamt, um alle Proteine ​​zu stabilisieren, [ 5 ] sowie spezifische Veränderungen einzelner Proteine. Der Vergleich homologer Proteine ​​in diesen Thermophilen und anderen Organismen zeigt einige Unterschiede in der Proteinstruktur. Ein bemerkenswerter Unterschied ist das Vorhandensein zusätzlicher Wasserstoffbrückenbindungen in den Proteinen der Thermophilen – was bedeutet, dass die Proteinstruktur resistenter gegen Entfaltung ist. Ebenso sind thermostabile Proteine ​​reich an Salzbrücken und/oder zusätzlichen Disulfidbrücken, die die Struktur stabilisieren. [ 6 ] [ 7 ] Weitere Faktoren der Thermostabilität von Proteinen sind die Kompaktheit der Proteinstruktur, [ 8 ] die Oligomerisierung, [ 9 ] und die Stärke der Wechselwirkung zwischen den Untereinheiten.

Verwendungszwecke und Anwendungen

Polymerase-Kettenreaktionen

Thermostabile DNA-Polymerasen wie die Taq-Polymerase und die Pfu-DNA-Polymerase werden in Polymerasekettenreaktionen (PCR) eingesetzt, bei denen Temperaturen von 94 °C oder darüber verwendet werden, um die DNA- Stränge im Denaturierungsschritt der PCR aufzuschmelzen. [ 10 ] Diese Hitzebeständigkeit ermöglicht es der DNA-Polymerase, die DNA in Gegenwart von dNTPs um die gewünschte Sequenz zu verlängern.

Futterzusatzstoffe

Enzyme werden häufig dem Tierfutter zugesetzt, um die Gesundheit und das Wachstum von Nutztieren, insbesondere Hühnern und Schweinen, zu verbessern. Das Futter wird üblicherweise mit Hochdruckdampf behandelt, um Bakterien wie Salmonellen abzutöten . Daher müssen die zugesetzten Enzyme (z. B. Phytase und Xylanase ) dieser thermischen Belastung standhalten können, ohne irreversibel inaktiviert zu werden. [ 11 ]

Proteinreinigung

Die Kenntnis der Hitzebeständigkeit eines Enzyms ist insbesondere bei der Proteinreinigung von Vorteil . Bei der Hitzedenaturierung kann ein Proteingemisch hohen Temperaturen ausgesetzt werden, was zur Denaturierung nicht thermostabiler Proteine ​​und zur Isolierung des thermodynamisch stabilen Proteins führt. Ein bemerkenswertes Beispiel hierfür ist die Reinigung der alkalischen Phosphatase aus dem hyperthermophilen Bakterium Pyrococcus abyssi . Dieses Enzym ist bekanntermaßen bei Temperaturen über 95 °C hitzestabil und kann daher durch Erhitzen partiell gereinigt werden, wenn es heterolog in E. coli exprimiert wird . [ 12 ] Der Temperaturanstieg führt zur Ausfällung der E. coli -Proteine, während die alkalische Phosphatase von P. abyssi stabil in Lösung bleibt.

Glycosidhydrolasen

Eine weitere wichtige Gruppe thermostabiler Enzyme sind die Glycosidhydrolasen . Diese Enzyme sind für den Abbau des Hauptanteils der Biomasse, der in Stärke und Lignocellulose enthaltenen Polysaccharide, verantwortlich. Daher gewinnen Glycosidhydrolasen in der zukünftigen Bioökonomie zunehmend an Bedeutung für Bioraffinerieanwendungen. [ 13 ] Beispiele hierfür sind die Herstellung von Monosacchariden für Lebensmittelanwendungen sowie deren Verwendung als Kohlenstoffquelle für die mikrobielle Umwandlung zu Kraftstoffen (Ethanol) und chemischen Zwischenprodukten, die Produktion von Oligosacchariden für präbiotische Anwendungen und die Herstellung von Tensiden vom Alkylglycosid-Typ. All diese Prozesse beinhalten häufig Wärmebehandlungen zur Erleichterung der Polysaccharidhydrolyse, wodurch thermostabilen Varianten von Glycosidhydrolasen in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle zukommt.

Ansätze zur Verbesserung der Thermostabilität von Proteinen

Protein - Engineering kann zur Verbesserung der Thermostabilität von Proteinen eingesetzt werden. Verschiedene Techniken der ortsgerichteten und zufälligen Mutagenese [ 14 , 15 ] sowie die gerichtete Evolution [ 16 ] wurden verwendet, um die Thermostabilität von Zielproteinen zu erhöhen. Vergleichende Methoden wurden eingesetzt, um die Stabilität mesophiler Proteine ​​durch Vergleich mit thermophilen Homologen zu steigern [17–20]. Darüber hinaus kann die Analyse der Proteinentfaltung mittels Molekulardynamik genutzt werden , um den Entfaltungsprozess zu verstehen und anschließend stabilisierende Mutationen zu entwickeln [ 21 ] . Rationales Protein-Engineering zur Steigerung der Protein -Thermostabilität umfasst Mutationen, die Schleifen verkürzen, Salzbrücken [22] oder Wasserstoffbrücken verstärken oder Disulfidbrücken einführen [ 23 ] . Zusätzlich kann die Ligandenbindung die Stabilität des Proteins erhöhen , insbesondere nach der Aufreinigung. [ 24 ] Verschiedene Kräfte tragen zur Thermostabilität eines Proteins bei. Dazu gehören hydrophobe und elektrostatische Wechselwirkungen sowie Disulfidbrücken. Der Grad der Hydrophobizität eines Proteins bestimmt dessen Thermostabilität. Eine weitere Kraft, die die Thermostabilität eines Proteins beeinflusst, sind elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den Molekülen. Zu diesen Wechselwirkungen zählen Salzbrücken und Wasserstoffbrückenbindungen. Salzbrücken sind temperaturunempfindlich und daher für die Stabilität von Proteinen und Enzymen unerlässlich. Eine dritte Kraft, die die Thermostabilität von Proteinen und Enzymen erhöht, sind Disulfidbrücken. Sie bilden kovalente Quervernetzungen zwischen den Polypeptidketten. Diese Bindungen sind aufgrund ihrer kovalenten Natur besonders stark und somit stärker als intermolekulare Kräfte. [ 25 ] Die Glykosylierung ist eine weitere Möglichkeit, die Thermostabilität von Proteinen zu verbessern. Stereoelektronische Effekte stabilisieren die Wechselwirkungen zwischen Kohlenhydraten und Proteinen und können so zur Thermostabilisierung des glykosylierten Proteins beitragen. [ 26 ] Die Cyclisierung von Enzymen durch kovalente Verknüpfung des N-Terminus mit dem C-Terminus wurde angewendet, um die Thermostabilität vieler Enzyme zu erhöhen.Intein cyclization and SpyTag/SpyCatcher cyclization have often been employed.[27][28]

Thermostable toxins

Certain poisonousfungi contain thermostable toxins, such as amatoxin found in the death cap and autumn skullcapmushrooms and patulin from molds. Therefore, applying heat to these will not remove the toxicity and is of particular concern for food safety.[29]

See also

Thermophiles

References

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