Mechanistische Untersuchungen zur Bildung und Funktionalität hochmolekularer Levane aus Essigsäurebakterien

• Antragstellerin: Professorin Dr. Anja Maria Wagemans, seit 3/2023
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512809825

Das Expolysaccharid Levan wird von Levansucrasen aus Saccharose synthetisiert, die ins Umgebungsmilieu von spezifischen Mikroorganismen sekretiert werden. Levan besteht aus β-(2,6)-gebundenen β-D-Fructose-Einheiten und ist ein natürlicher Bestandteil von bakteriellen Biofilmen und fermentierten Lebensmitteln. Im Vergleich zu anderen Lebensmittelbiopolymeren weist Levan einzigartige funktionelle Eigenschaften auf, weshalb es für diverse technologische Anwendungen interessant ist. Daher wurde vielfach versucht die Levanausbeute unter Verwendung geeigneter Produktionsorganismen zu optimieren. Das Molekulargewicht, das in der Literatur als äußerst variabel beschrieben wird, wurde hingegen nur in wenigen Studien mit den funktionellen Eigenschaften von Levan korreliert. Hierdurch mangelt es an fundiertem Wissen zur gezielten Nutzung, was Anwendungsmöglichkeiten von Levan in Lebensmitteln stark limitiert. In Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass Levane aus Essigsäurebakterien der Gattung Gluconobacter außergewöhnlich hohe Molekülgewichte sowie einzigartige makromolekulare Eigenschaften aufweisen. Allerdings ist nicht verstanden, unter welchen Bedingungen Essigsäurebakterien derart hochmolekulares Levan bilden und warum sich die funktionellen Eigenschaften so stark von niedermolekularem Levan unterscheiden.Das Hauptziel dieses Projektes ist es systematische Beziehungen zwischen der natürlichen Bildung, dem Molekulargewicht und den daraus ableitbaren makromolekularen sowie funktionellen Eigenschaften von Levan aus Essigsäurebakterien herzustellen. Hierdurch soll ein tiefgründiges und deutlich erweitertes Verständnis zur komplexen und bislang nur unzureichend kontrollierbaren Produktion von Levan mit maßgeschneiderten Eigenschaften erlangt werden. Zum Erreichen des Projektziels werden physiologisch und enzymatisch kontrollierte Mechanismen zur Bildung von Levan mit dessen Molekulargewicht korreliert. Darüber hinaus werden molekulargewichts-, lösemittel- und konzentrationsabhängige Konformationsänderungen sowie molekulare Wechselwirkungen von Levan in wässrigen Systemen untersucht und Mechanismen für die molekulare Entstehung der Funktionalitäten Trübung und Gelbildung abgeleitet.Die Ergebnisse des beantragten Projekts sollen die Entwicklung neuartiger Prozessstrategien zur kontrollierten fermentativen oder enzymatischen Produktion von Levanen mit definierten Eigenschaften in Lebensmitteln sowie die Etablierung bislang nicht genutzter Levan-Funktionalitäten in weiteren biotechnischen und materialwissenschaftlichen Bereichen ermöglichen. Die systematischen Untersuchungen zu natürlichen Bildungsmechanismen und Eigenschaften von Levanen sollen zudem Einblicke in die Biosynthese mikrobieller Polysaccharide während der bakteriellen Biofilmbildung gewähren. Darüber hinaus dienen die Erkenntnisse als Grundlage zur umfassenden Bewertung komplexer biotechnologischer Prozesse zur Herstellung von Biomakromolekülen mit maßgeschneiderten Funktionalitäten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Julia Bechtner, bis 3/2023