Charakterisierung neuartiger insektenassoziierter Peptidasen für die Lebensmittelbiotechnologie

Abstract

Mit mehr als 1 Million verschiedener Spezies verfügen Insekten über die weltweit größte Artenvielfalt. Durch ihre Anpassungsfähigkeit kommen sie in nahezu jeder ökologischen Nische vor und können zudem fast jedes organische Substrat als Nahrungsquelle nutzen. Hierfür nutzen sie spezielle enzymatische Systeme, über die sie entweder selbst verfügen oder welche durch mikrobielle Symbionten bereitgestellt werden. Im Bereich der Lebensmittelbiotechnologie könnte dieses biochemische Potential für den peptidolytischen Abbau diverser Pflanzenproteine, wie z.B. von Gluten oder Reisprotein, verwendet werden. Die insektenassoziierten Pilze Candida pseudorhagii, Mucor fragilis, Penicillium commune, Penicillium echinolatum, Amylostereum areolatum, Amylostereum chailletii sowie Stereum sanguinolentum wurden anhand photometrischer Assays hinsichtlich ihrer Peptidaseaktivität getestet. Darüber hinaus wurde das Potential der pilzlichen Peptidasen zur Hydrolyse von diversen lebensmittelbiotechnologisch relevanten Proteinen überprüft. Im photometrischen Assay zeigten die Pilze eine eher geringe Peptidaseaktivität. Eine schwache peptidolytische Aktivität gegenüber den Substraten Gluten, Casein und Reisprotein zeigten nur die Pilze A. areolatum und A. chailletii. Im weiteren Verlauf wurde die Peptidaseaktivität der Getreideschädlinge Tenebrio molitor (Mehlkäfer), Rhizopertha dominica (Getreidekapuziner), Oryzaephilus surinamensis (Getreideplattkäfer), Sitophilus granarius (Kornkäfer), Alphitobius diaperinus (Getreideschimmelkäfer) und Tribolium castaneum (rotbrauner Reismehlkäfer) überprüft. Peptidasen der Käfer R. dominica und O. surinamensis zeigten eine effiziente Hydrolyse aller eingesetzten Substrate. Ein Vergleich von kompletten und entdarmten Käfern belegte, dass die Peptidasen im Gastrointestinaltrakt der Käfer lokalisiert sind. Aus dem Käferextrakt von R. dominica wurde eine Serin-Peptidase mittels FPLC gereinigt. Die Charakterisierung dieser Peptidase erfolgte auf molekularer Ebene anhand gewonnener Transkriptomdaten aus R. dominica. Nach heterologer Expression zeigte die Serin-Peptidase in zymographischen Applikationstests einen Abbau von Gluten und zeichnete sich zusätzlich durch eine hohe thermische Stabilität aus. Mittels HPLC wurde die Hydrolyse allergierelevanter Gliadin-Epitope nachgewiesen. Bevorzugte Hydrolysestellen wurden hierbei nach Prolin (P) und Glutamin (Q) ermittelt. With more than 1 million different species, insects are the evolutionary most successful organisms in the world. Due to their adaptability, insects can be found in almost every ecological niche. Furthermore, they are capable to use almost every organic substrate as a food source due to special enzymatic systems, which are possessed either by themselves or by associated microorganisms like bacteria or fungi. The high biodiversity of insect associated enzymes might be used in the field of food biotechnology. In this work, peptidases which are urgently required for a specific and efficient hydrolysis of vegetable pomace and food proteins like casein and gluten were identified.The insect associated fungi Candida pseudorhagii, Mucor fragilis, Penicillium commune, Penicillium echinolatum, Amylostereum areolatum, Amylostereum chailletii and Stereum sanguinolentum were screened for their peptidolytic activity against various food proteins. In semi native zymograms, the fungi A. areolatum and A. chailletii showed a low peptidolytic activity against the substrates gluten, casein, and rice protein. However, all fungi showed limited peptidase activities only. The grain pests Tenebrio molitor (yellow mealworm), Rhizopertha dominica (lesser grain borer), Oryzaephilus surinamensis (sawtoothed grain beetle), Sitophilus granarius (wheat weevil), Alphitobius diaperinus (black fungus beetle) and Tribolium castaneum (red flour beetle) were tested for their peptidase and peptidolytic activities. The beetles R. dominica and O. surinamensis showed a highly efficient hydrolysis of all tested food proteins. A comparison of deveined and complete beetles localized the target peptidases in the gastro intestinal system of the beetles. A serine peptidase was purified from R. dominica by FPLC. The characterization of this peptidase was performed on a molecular level by use of R. dominica transcriptome data. After heterologous expression, the peptidase showed peptidolytic activity against gluten and a high thermostability. A hydrolysis of allergy relevant gliadin- epitopes was shown by HPLC analyses. Preferred hydrolysis positions were detected after proline (P) and glutamine (Q).