Was ist Cyanophycin?

Cyanophycin (CGP) ist ein proteinogenes Biopolymer von β-Asp-Arg-Dipeptiden, das von Cyanobakterien, einem gramnegativen Bakterium, das früher „Blaualgen“ genannt wurde und sich durch seine sauerstoffhaltige Photosynthese von allen anderen Bakterien unterscheidet, natürlich produziert wird. CGP besteht hauptsächlich aus Arginin-Aspartat-Dipeptiden und wird von einem einzigen Enzym, der Cyanophycin-Synthetase (CphA), über die nicht-ribosomale Proteinbiosynthese synthetisiert. Da sich die verzweigte Konformation von CGP wesentlich von der Tertiärstruktur von Proteinen unterscheidet, kann CGP nicht durch gewöhnliche Proteasen abgebaut werden. Sein Abbau ist auf eine spezielle Klasse von Enzymen, die Cyanophycinasen, beschränkt, die ausschließlich in Bakterien vorkommen1. Dort dient es als vorübergehender Speicher für Stickstoff, Kohlenstoff und Energie2. CGP kann als Vorläufer für verschiedene Anwendungen in der chemischen Industrie angesehen werden. Es kann Polyacrylate und Kunststoffe auf Polyamidbasis ersetzen4. Es kann auch für die Herstellung von Lebens- und Futtermittelzusätzen mit hohem Nährwert4 verwendet werden.

Durch die Einführung des cphA-Gens aus verschiedenen Bakterien wurde die CGP-Produktion bereits in verschiedenen Bakterien, Hefen und Tabakpflanzen mit Ausbeuten von bis zu 40%, 21% bzw. 9,4% Trockengewicht (dw) etabliert. Dennoch sind die hefebasierten Zellkultursysteme für die Synthese im grossen Massstab ungeeignet, da sie in Bezug auf Skalierbarkeit, Produktivität und Kosten5 begrenzt sind, während die Tabakkultivierung unter Nutzung der bestehenden landwirtschaftlichen Infrastruktur leicht hochskaliert werden kann und Biomasse auf kosteneffiziente, CO2-neutrale Weise produziert. Die verschiedenen CGP-Moleküle, wie sie aus verschiedenen Pflanzen und Mikroorganismen hergestellt wurden, sind als solche nicht auf ihre strukturellen Eigenschaften getestet worden. Diese Eigenschaften könnten ähnlich wie bei Polyaspartat sein. Daher wurde bisher keine davon in ein industrielles Produktionssystem umgesetzt oder zur Marktanwendung gebracht. Wir werden das Potenzial von CGP als Biopolymer in einzelnen Anwendungen, aber auch in Mischungen mit anderen Biopolymeren wie Stärke, Cellulose, PLA und PHA testen.

1 (Sallam and Steinbüchel 2011; Law et al 2009): Sallam A, Steinbüchel A. Biotechnological production of cyanophycin dipeptides. Patent US 8980845 B2. 2011 and Law AM, Lai SWS, Tavares J, Kimber MS. The Structural Basis of β-Peptide-Specific Cleavage by the Serine Protease Cyanophycinase. Journal of Molecular Biology 2009;392:393-404.

2 Ziegler et al (1998): Ziegler K, Diener A, Herpin C, Richter R, Deutzmann R, Lockau W. Molecular characterization of cyanophycin synthetase, the enzyme catalyzing the biosynthesis of the cyanobacterial reserve material multi- L-arginyl-poly- L-aspartate (cyanophycin). European Journal of Biochemistry 1998;54:154-159.

3 Börnke and Broer 2010; Mooibroek et al 2007: Börnke F, Broer I. Tailoring plant metabolism for the production of novel polymers and platform chemicals. Current Opinion in Plant Biology 2010;13:353-361; Mooibroek H, Oosterhuis N, Giuseppin M, Toonen M, Franssen H, Scott E, et al. Assessment of technological options and economical feasibility for cyanophycin biopolymer and high-value amino acid production. Applied Microbiology and Biotechnology 2007;77:257-267.

4 Sallam and Steichnuchel 2009, 2010; Santos et al 2012: Sallam A, Steinbuchel A. Cyanophycin-degrading bacteria in digestive tracts of mammals, birds and fish and consequences for possible applications of cyanophycin and its dipeptides in nutrition and therapy. J Appl Microbiol 2009;107:474-484.; Sallam A, Steinbuchel A. Dipeptides in nutrition and therapy: cyanophycin-derived dipeptides as natural alternatives and their biotechnological production. Appl Microbiol Biotechnol 2010;87:815-828; Santos S, Torcato I, Castanho MARB. Biomedical applications of dipeptides and tripeptides. Peptide Science 2012;98:288-293.

5 Ma JKC, Drake PMW, Christou P: The production of recombinant pharmaceutical proteins in plants. Nat Rev Genet 2003, 4:794-805. Merlin M, Gecchele E, Capaldi S, Pezzotti M, Avesani L: Comparative evaluation of recombinant protein production in different biofactories: The green perspective. BioMed Research International 2014, 2014. Sabalza M, Christou P, Capell T: Recombinant plant-derived pharmaceutical proteins: current technical and economic bottlenecks. Biotechnology Letters 2014, 36:2367-2379.