Glucosylglycerin#

Biotechnologie der TU Graz erschließt ein Zuckermolekül aus der Natur für den Einsatz in Kosmetika#


von


Bernd Nidetzky

Institut für Biotechnologie und Bioprozesstechnik

Bernd Nidetzky
Bernd Nidetzky


Bernd Nidetzky forscht mit seiner "süßen Arbeitsgruppe" auf dem Gebiet "Enzyme und Zucker" im Kontext verschiedener biotechnologischer und pharmazeutischer Anwendungen. Die wissenschaftlichen Untersuchungen verbinden grundlegende Studien über die molekulare Wirkweise von Enzymen, die mit Zuckersubstraten aktiv sind, mit prozessrelevanten Themen wie Proteinstabilität, Entwicklung von Enzymen und Zellen als Bio katalysatoren, Reaktionstechnik und Verfahrensdesign.


© Forschungsjournal 2010/03



Wir haben gemeinsam mit dem deutschen Firmenpartner bitop AG ein biokatalytisches Verfahren für die Herstellung eines natürlichen Stressschutzmoleküls mit dem Namen Glucosylglycerin entwickelt, daraus einen Prozess im industriellen Maßstab etabliert und mit dem Produkt Glycoin® ein neues Ingredienz für Kosmetika auf dem Markt positioniert. Glucosylglycerin ist darüber hinaus ein potenzielles Präbiotikum für den Einsatzin funktionellen Nahrungsmitteln.


Glucosylglycerin
Abb.1: Glucosylglycerin in gereinigter Form nach Gefriertrocknung sowie chemische Struktur dieses Naturstoffs
© Forschungsjournal 2010/03 / Institut für Biotechnologie und Bioprozesstechnik/
Glucosylglycerin ist ein Naturstoff aus der Klasse der Zucker (Abbildung 1). Das Molekül wird von Pflanzen und Mikroorganismen intrazellulär gebildet und erfüllt in diesen biologischen Systemen die physiologische Rolle einer Substanz, die gegen den Einfluss ungünstiger äußerer Lebensbedingungen schützt. Trockenheit, Frost oder Hitze sowie hoher Salzgehalt der Umgebung gehören zu typischen Stressfaktoren, die Zellen beeinträchtigen können, und erfordern protektive Gegenmaßnahmen.

Glycoin Extremium Effekt
Abb.2: Effekt von Glycoin Extremium ®, das kommerzielle Produkt aus Glucosylglycerin, auf die Reduktion der Hautirritation nach UV-Bestrahlung. Die Skala reicht von hoher (rot) bis niedriger (blau) Irritation
© Forschungsjournal 2010/03 / © Jan Dekker International

Die Akkumulierung von Glucosylglycerin oder ähnlichen Substanzen in der Zelle ist eine weitverbreitete Strategie der Natur, mit Stressbedingungen umzugehen. Es ist außerdem bekannt, dass Moleküle des Typs von Glucosylglycerin hochinteressante Eigenschaften für den Einsatz in kosmetischen Präparationen zeigen.

Studien, die teilweise im Verlauf der hier beschriebenen Entwicklungsarbeiten durchgeführt wurden, zeigten, dass Glucosylglycerin im Besonderen den Feuchtigkeitsgehalt der Haut stabilisiert, die Regeneration von Hautzellen nach intensiver Sonnenbestrahlung unterstützt (Abbildung 2) und Zellen generell gegen eine Reihe der oben genannten Stressfaktoren schützt.

Darüber hinaus zeigt Glucosylglycerin protektive Wirkung auf Proteine. Potenzielle Anwendungen von Glucosylglycerin, die sich aus den genannten Eigenschaften unmittelbar ableiten, waren durch die fehlende Verfügbarkeit dieser Substanz jedoch nicht zugänglich. Die Natur bietet leider keine ausreichende Quelle, um Glucosylglycerin in großen Mengen zu isolieren, und beschriebene chemische oder biologische Prozesse für die Synthese von Glucosylglycerin sind nicht effektiv.

Saccharosephosphorylase
Abb.3: Molekulare Struktur von Saccharosephosphorylase, dem Enzymkatalysator für die Herstellung von Glucosylglycerin
© Forschungsjournal 2010/03 / Institut für Biotechnologie und Bioprozesstechnik
Wir haben an der TU Graz ein biokatalytisches Verfahren zur Herstellung von Glucosylglycerin ausgehend von der neuen Prozessidee bis zum Produkt entwickelt (Abbildung 3).


Dieses Verfahren geht von billigen Rohmaterialien wie Rübenzucker und Glycerin aus und liefert das gewünschte Produkt in einem einzigen enzymatischen Umsetzungsschritt in hoher Ausbeute und vollkommener struktureller Reinheit. Es ist leistungsfähig genug, um die Zielsubstanz erstmals als Feinchemikalie für industrielle Anwendungen zur Verfügung zu stellen.

Gemeinsam mit der bitop AG, die im deutschen Witten angesiedelt ist und sich auf die biotechnologische Herstellung und Vermarktung von Extremolyten, also von Molekülen wie Glucosylglycerin, spezialisiert hat, wurde das patentgeschützte Verfahren1 im technologischen Tonnenmaßstab etabliert und wird nun laufend, primär vom Firmenpartner, weiter optimiert.

Wesentliche Einheitsoperationen, die vom Labor in den technischen Maßstab transferiert und dabei teilweise weiterentwickelt werden mussten, waren die Enzymherstellung, die eigentliche biokatalytische Umsetzung zur Produktion von Glucosylglycerin sowie die Aufarbeitung und Formulierung des Produktes. Das Endprodukt wurde von bitop AG unter der Schutzmarke Glycoin® auf dem Markt positioniert.


Jan Dekker International wurde von bitop AG als Vertriebspartner gewonnen und bietet Glycoin® unter dem Namen Glycoin Extremium® als Anti-Aging-Zusatzstoff für Kosmetika an. Einige Produkte der in Deutschland erhältlichen Kosmetiklinie Miro Balance wurden unter Verwendung von Glycoin Extremium® hergestellt. Retrospektiv betrachtet gab es drei wesentliche Faktoren, die für die erfolgreiche Kommerzialisierung des Prozesses zur Herstellung von Glucosylglycerin entscheidend waren:

  1. Die Technologieentwicklung konnte auf Resultate aus langjähriger Grundlagenforschung (finanziert durch den FWF) aufbauen, und es gab seitens der Erfinderinnen und Erfinder (Christiane Luley-Gödl, Thornthan Sawangwan, Mario Müller) am Institut für Biotechnologie und Bioprozesstechnik ein klares Interesse, die vielversprechenden Ergebnisse in eine konkrete Anwendung zu bringen.
  2. Die gesamte "Prozesskette" der Technologieverwertung wurde äußerst kompetent und mit großer Energie von Thomas Bereuter und Notburga Jaritz betreut und konnte aus diesem Grund rasch und ohne größere Probleme durchlaufen werden.
  3. Es wurde relativ rasch ein Industriepartner als Lizenznehmer gefunden, der nicht nur den Willen und die Kompetenz zur Realisierung des biotechnologischen Verfahrens besaß, sondern auch in der Positionierung von Substanzen des Typs von Glucosylglycerin auf dem Markt für Kosmetika spezialisiert war.

Weitere TU Graz-interne Untersuchungen, die darauf abzielten, alternative Verwertungsmöglichkeiten von Glucosylglycerin zu bewerten, haben mittlerweile gezeigt, dass sich das Molekül fördernd auf das Wachstum von einigen Mikroorganismen auswirkt, die zur positiven menschlichen Darmflora gehören. Es ergeben sich damit potenzielle Anwendungen von Glucosylglycerin als Präbiotikum in funktionellen Nahrungsmitteln



Literatur:
  • C. Goedl, T. Sawangwan, B. Nidetzky, M. Mueller, Preparation of 2-O-glyceryl-α-D-glucopyranoside from a
glucosyl donor and a glucosyl acceptor. WO 2008034158 (2008)
  • C. Goedl, T. Sawangwan, M. Mueller, A. Schwarz, B. Nidetzky, A high-yielding biocatalytic process for the production of 2-O-(α-D-glucopyranosyl)-sn-glycerol, a natural osmolyte and useful moisturizing ingredient. Angew. Chemie Int. Ed. Engl. 47 (2008) 10086-10089



Die TU Graz liegt an erster Stelle des Uni-Erfindungsrankings des Österreichischen Patentamts, das im Jahr 2009 erstmals erstellt wurde. Die TU Graz führt die Liste mit acht erteilten Patenten bzw. Gebrauchsmustern an. Dahinter folgt die Technische Universität Wien, auf Rang drei liegt die Universität Innsbruck.

Im gesamtösterreichischen Erfindungsranking der Unternehmen liegt die TU Graz immerhin auf Platz neun: Sie ist damit die einzige im Ranking vertretene Universität.