Untersuchungen zur Astaxanthin-Biosynthese in den Grünalgen Scenedesmus sp. und Haematococcus pluvialis

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Astaxanthin-Biosynthese in den Grünalgen Scenedesmus und Haematococcus pluvialis. Diese ließ sich durch eine Reihe von Stressfaktoren (Nitrat-, Phosphatmangel, Starklicht, Salzstress) in der Mehrzahl der untersuchten Spezies der Gattung Scenedesmus induzieren. Der Einsatz von 569 mM NaCl führte zu einer signifikanten Steigerung der Astaxanthin- und Sekundärcarotinoid-Gehalte von 4,47 mg/ g TS auf 12,96 mg/ g TS. Sowohl Scenedesmus als auch H. pluvialis synthetisierte eine komplexe Mischung an sekundären Carotinoiden und ihren Fettsäureestern, deren Struktur mittels LC-MS-Kopplung aufgeklärt werden konnte. Es wurde gezeigt, dass neben Astaxanthinestern auch andere Carotinoidester wie z.B. Lutein-, Adonixanthin und Adonirubinester in stressexponierten Stämmen akkumulieren. Die Astaxanthin-Enantiomere konnten mit einer chiralen HPLC-Phase (Cellulose-tris-3,5-Dimethylphenylcarbamat) getrennt werden. Es wurde eine Grünalge der Gattung Scenedesmus selektiert und charakterisiert, die 3S,3’S-Astaxanthin in Ausbeuten synthetisiert, die aufgrund der hohen Biomasseproduktivität mit denen von H. pluvialis vergleichbar sind, wobei der Veresterungsgrad in Scenedesmus deutlich geringer ist. Die Astaxanthin-Synthese erfolgt in den untersuchten Grünalgen simultan über zwei Wege: über β-Cryptoxanthin, Zeaxanthin und Adonixanthin sowie über Echinenon, Canthaxanthin und Adonirubin. Für die Scenedesmus-Spezies konnte gezeigt werden, dass Lutein in ähnlich hohen Gehalten wie β-Carotin in den stressexponierten Stämmen vorkommt und als Vorstufe für die Ax-Biosynthese in Frage kommt. Für die Untersuchung der Ax-BS auf molekularbiologischer Ebene wurde das Schlüsselenzym des Biosyntheseweges, die β-Carotin-Ketolase (BKT), ausgewählt. Es konnte erstmals ein Fragment eines BKT-Gens aus Scenedesmus kloniert und durch eine 5’RACEPCR verlängert werden. Die abgeleitete Aminosäure-Sequenz zeigte orthologe Bereiche zur Aminosäure-Sequenz aus H. pluvialis, M. zofingiensis und Chlamydomonas reinhardtii.