Effiziente Tagatose-Produktion durch modifizierte E. coli aus kostengünstigem Glukose-Ausgangsstoff

Wissenschaftler der Tufts University haben einen signifikanten Fortschritt in der Biotechnologie erzielt, indem sie das Bakterium Escherichia coli so modifizierten, dass es den seltenen Zuckerersatzstoff Tagatose mit hoher Effizienz herstellt. Die in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science veröffentlichte Innovation nutzt den reichlich vorhandenen und kostengünstigen Rohstoff Glukose als Ausgangsmaterial für die Synthese. Assoziierter Professor Nik Nair von der Abteilung für Chemie- und Bioingenieurwesen der Tufts University leitete die Entwicklung einer Methode, bei der die modifizierten Bakterien als mikroskopisch kleine Produktionsstätten dienen.

Der Kern der Neuerung liegt in der Umkehrung eines natürlichen Stoffwechselweges. Dies wird durch die Einführung eines neu charakterisierten Enzyms, der Galaktose-1-phosphat-spezifischen Phosphatase (Gal1Pase), ermöglicht, welches ursprünglich aus dem Schleimpilz Dictyostelium discoideum stammt. Diese enzymatische Intervention erlaubt es dem E. coli, Glukose über mehrere Schritte – Phosphorylierung, Epimerisierung und Dephosphorylierung – direkt in Tagatose umzuwandeln. Im Gegensatz zu früheren Verfahren, die auf dem teureren Galaktose-Ausgangsstoff basierten, macht dieser Glukose-basierte Ansatz die kommerzielle Produktion von Tagatose deutlich wirtschaftlicher.

Die erzielten Konversionsausbeuten sind bemerkenswert und erreichen Werte von bis zu 95 Prozent. Dieser Wert stellt eine erhebliche Steigerung gegenüber konventionellen chemischen Isomerisierungsverfahren dar, welche typischerweise Ausbeuten zwischen 40 und 77 Prozent aufweisen. Tagatose selbst bietet ernährungsphysiologische Vorteile: Es weist nahezu die Süßkraft von Saccharose (Haushaltszucker) mit etwa 92 Prozent auf, liefert jedoch nur rund 60 Prozent der Kalorien. Diese Eigenschaft positioniert es als eine attraktive Option für die Lebensmittelindustrie zur Reduzierung des Zuckergehalts in verarbeiteten Produkten.

Ein wesentlicher Vorteil für die öffentliche Gesundheit ist die minimale Auswirkung von Tagatose auf den Blutzuckerspiegel und die Insulinreaktion, was es zu einer geeigneten Komponente für das Diabetesmanagement macht. Nur etwa 20 Prozent der aufgenommenen Menge werden im Dünndarm resorbiert; der Großteil wird im Dickdarm durch die Darmflora fermentiert. Dies resultiert in einem sehr niedrigen glykämischen Index von nur etwa 3, verglichen mit 100 für Glukose. Die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) hat Tagatose bereits die Einstufung „Generally Recognized As Safe“ (GRAS) erteilt, was die Markteinführung in Konsumgütern erleichtert. Darüber hinaus bestätigte die EFSA, dass der Austausch von Zucker durch D-Tagatose zur Erhaltung der Zahnmineralisierung beiträgt.

Die Forschung zeigt, dass die Optimierung der E. coli-Stämme durch das Entfernen konkurrierender Stoffwechselwege, wie dem Pentosephosphatweg oder der Glykogensynthese, die Ausbeute weiter steigern kann. Die Fähigkeit von Tagatose, die Kariesbildung zu hemmen und möglicherweise präbiotische Effekte zugunsten der Darmgesundheit zu entfalten, erweitert sein Anwendungsspektrum über die reine Kalorienreduktion hinaus. Diese biotechnologische Route zur Herstellung eines funktionellen Süßstoffs, der strukturell der Fruktose ähnelt, überwindet wesentliche frühere Hürden der kommerziellen Verfügbarkeit und Kosten und signalisiert eine tiefgreifende Veränderung im Sektor der Zuckerersatzstoffe.