Forschung
Im Fokus der Forschungsarbeiten im Arbeitskreis Wefers stehen verschiedene Oligo- und Polysaccharide aus Bakterien oder Algen sowie Glykoproteine pflanzlichen und tierischen Ursprungs. In Lebensmitteln können diese Biopolymere in isolierter Form eingesetzt werden, um die Textur oder die ernährungsphysiologischen Eigenschaften zu verbessern. Im Fall bakterieller Exopolysaccharide ist zudem eine Bildung im Lebensmittel möglich, etwa während einer Fermentation.
In der Arbeitsgruppe werden mehrere Themenfelder rund um verschiedene, häufig enorm komplex aufgebaute Kohlenhydrate bearbeitet.
Strukturanalyse & -charakterisierung
Die Struktur vieler Polysaccharide ist aufgrund ihrer Komplexität häufig noch nicht (vollständig) beschrieben bzw. verstanden, jedoch ist das Verhalten polymerer Kohlenhydrate in Modellsystemen, in Lebensmitteln und im Verdauungstrakt entscheidend von ihrer Struktur abhängig. Daher stellt die detaillierte Charakterisierung der molekularen Struktur einen zentralen Aspekt unserer Forschung dar. In unserer Arbeitsgruppe sowie in verschiedenen Kooperationen arbeiten wir zudem daran, die detaillierten Kenntnisse zur Struktur in Verbindung mit den ernährungsphysiologischen oder technofunktionellen Eigenschaften zu bringen.
Methoden
Methodisch setzen wir zur Strukturanalyse unter anderem auf etablierte Methoden wie bspw. die Methylierungsanalyse (Analyse partiell methylierer Alditolacetate mittels GC-MS/FID). Auch die ein- und zweidimensionale NMR-Spektroskopie kommt sehr häufig zum Einsatz, während das absolute Molekulargewicht über HPSEC-RI/MALLS ermittelt wird. Gemeinsam mit der Monosaccharidzusammensetzung (bestimmt mittels HPAEC-PAD nach Säurehydrolyse) liefern die genannten Analysemethoden üblicherweise die wichtigsten Informationen zur molekularen Struktur von Oligo- und Polysacchariden.
In manchen Fällen reichen diese Ansätze jedoch nicht aus, bspw. bei Polysacchariden, die nur aus einem Monosaccharidtyp bestehen (Homopolysaccharide) oder beim Vorkommen vieler verschiedener Struktureinheiten in variierenden und z.T. sehr kleinen Anteilen. Um detaillierte Strukturinformationen zu erhalten, setzen wir daher auf die Charakterisierung enzymatisch oder säurehydrolytisch freigesetzter Oligosaccharide. Diese werden aus den Hydrolysaten mittels GPC und semipräparativer HPLC isoliert und anschließend mittels NMR-Spektroskopie und Massenspektrometrie charakterisiert. Die Struktur der erhaltenen Bruchstücke liefert schließlich Rückschlüsse auf die in den Polymeren vorhandenen Strukturelemente.
(Weiter)Entwicklung von Analysemethoden
Aufgrund der erwähnten Einschränkungen der konventionell eingesetzten Analysemethoden arbeiten wir stets daran, neue Ansätze zur Analyse polymerer Kohlenhydrate zu entwickeln. Im Vordergrund stehen dabei Ansätze, die auf einer chromatographischen Analyse der oben beschriebenen enzymatisch freigesetzten Oligomere basieren. Als Methoden eignen sich hier die HPAEC-PAD oder auch die HPLC mit ELSD und/oder MS-Detektion. Aus den Anteilen der jeweiligen Oligosaccharide können dann Informationen über die Anteile der jeweiligen Strukturelemente in den Polymeren abgeleitet werden. Dieser Ansatz wurde bspw. bereits für diverse bakterielle alpha-Glucane erfolgreich angewendet, so können verschiedene Vertreter dieser komplexen Polymere teilweise lediglich auf Basis der Seitenkettenlänge unterschieden werden.
Synthese, Spaltung & Modifikation
Neben der (Struktur)Analyse von Oligo- und Polysacchariden steht auch die enzymatische Synthese im Fokus unserer Forschungsarbeiten. So können verschiedene Bakterien niedermolekulare Kohlenhydrate wie Saccharose enzymatisch in Homopolysaccharide wie Glucane oder Fructane umsetzen. Zur Erforschung der jeweiligen Polysaccharide nutzen wir sowohl die verschiedenen Organismen, als auch aufgereinigte rekombinante Enzyme. Letztere gewinnen wir über die Klonierung der verantwortlichen Gene und die heterologe Expression in E. coli. Durch die Auswahl verschiedener Enzyme bzw. Inkubationsbedingungen können somit maßgeschneiderte Polysaccharide mit optimalen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen gewonnen werden.
Auch für die Modifikation von Polysacchariden nutzen wir rekombinante, Kohlenhydrat-aktive Enzyme. Im Gegensatz zu chemischen Verfahren bietet dieser Ansatz die Möglichkeit, an bestimmten Stellen der komplexen Polymere zu spalten oder bestimmte Substituenten bzw. Seitenketten zu entfernen. In ausgewählten Fällen nutzen wir jedoch auch chemische Ansätze zur Polysaccharidmodifikation, bspw. zur Entesterung. Begleitet werden die strukturellen Modifikationen stets von einer detaillierten Strukturcharakterisierung, um letztendlich Struktur-Wirkungsbeziehungen zu erarbeiten.
Vorkommen und Bildung in Lebensmitteln
Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Analyse verschiedener oligo- und polymerer Kohlenhydrate in Lebensmitteln. Hierbei erforschen wir einerseits die in fermentierten Lebensmitteln wie Wasserkefir, Kombucha oder Sauerteig vorliegenden Polysaccharide. Hierfür werden wiederum an die jeweiligen Matrices angepasste Methoden entwickelt. Andererseits beschäftigen wir uns auch damit, wie die Bildung bestimmter Polysaccharide während der Fermentation gezielt beeinflusst und gesteigert werden kann. Dieser Ansatz bietet bspw. die Möglichkeit, den Ballaststoffgehalt bzw. den Gehalt an präbiotischen Kohlenhydraten in Lebensmitteln gezielt zu steigern.
Abgeschlossene & laufende Drittmittelprojekte
Einen Einblick in unsere Forschungsarbeiten geben einerseits die auf der Seite "Publikationen" aufgeführten Veröffentlichungen, andererseits können hier die Kurzfassungen unserer abgeschlossenen und aktuellen Drittmittelprojekte eingesehen werden:
Abgeschlossene Projekte
https://www.fei-bonn.de/gefoerderte-projekte/projektdatenbank/aif-20218-n.projekt
Laufende Projekte
https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/413076269
https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/460131094
https://www.fei-bonn.de/gefoerderte-projekte/projektdatenbank/aif-21647-br.projekt
https://www.fei-bonn.de/gefoerderte-projekte/projektdatenbank/aif-21935-bg.projekt