Serrapeptase: Herkunft, Bau und Herstellung eines bakteriellen Enzyms

Was ein Enzym ist — und was eine Protease tut

Ein Enzym ist ein Eiweiss, das eine bestimmte chemische Reaktion beschleunigt. Es geht aus der Reaktion unverändert hervor und kann sie deshalb viele Male nacheinander vermitteln. Jedes Enzym ist auf eine Reaktionsart festgelegt.

Proteasen sind die Gruppe, die Eiweisse zerlegt. Sie trennen die Peptidbindung, also die chemische Verknüpfung zwischen zwei benachbarten Aminosäuren in einer Eiweisskette. Manche Proteasen knabbern nur an den Kettenenden; sie heissen Exopeptidasen. Andere schneiden mitten in der Kette und heissen Endopeptidasen.

Serrapeptase gehört zu den Endopeptidasen. Die Enzymnomenklatur beschreibt ihre Vorliebe knapp: Sie spaltet bevorzugt Bindungen, bei denen auf der Schnittstelle ein wasserabweisender Aminosäurerest folgt. Welche Eiweisse ein Enzym im Reagenzglas zerlegt, sagt für sich genommen nichts über ein Erzeugnis aus.

Die Raupe, der Kokon und ein Bakterium

Die Entdeckungsgeschichte ist ungewöhnlich. In den 1960er-Jahren untersuchten japanische Arbeitsgruppen Bakterien aus dem Darm der Raupe des Seidenspinners (Bombyx mori). Ein Stamm mit der Bezeichnung Serratia sp. E-15 gab eine ungewöhnlich kräftige Protease an sein Nährmedium ab.

Der Zusammenhang mit dem Kokon liegt nahe. Seide besteht aus zwei Eiweissen, dem Faserprotein Fibroin und dem verklebenden Sericin. Wer diese Hülle von innen öffnen will, braucht ein Werkzeug gegen Eiweiss. Genau das ist eine Protease. Der Fundort gab dem Enzym seinen Namen — nicht das Bakterium, sondern die Gattung Serratia steckt darin.

Ein Bakterium, mehrere Namen

Der Produzent wurde mehrfach neu eingeordnet. Heute wird der Stamm der Art Serratia marcescens Bizio 1823 zugerechnet. Die Gattung geht auf den Apotheker Bartolomeo Bizio zurück, der sie nach dem italienischen Physiker Serafino Serrati benannte.

Auch oberhalb der Gattung hat sich etwas verschoben. Serratia wurde lange zur Familie der Enterobacteriaceae gestellt. Eine genomweite Untersuchung teilte die Ordnung 2016 neu auf und stellte die Gattung in die neu beschriebene Familie Yersiniaceae.¹ Allgemeine Artenverzeichnisse ziehen solche Änderungen unterschiedlich schnell nach und führen die Art teilweise noch unter der alten Familie.

Für die Praxis heisst das vor allem eines: Ältere Arbeiten sprechen von «Serratia sp. E-15» oder von «Serratia-Protease». Gemeint ist derselbe Zusammenhang.

Bau des Moleküls

Die Kristallstruktur des Enzyms aus dem Stamm E-15 wurde 1996 aufgeklärt.² Sie zeigt zwei Abschnitte mit klar getrennten Aufgaben.

Der vordere Abschnitt trägt das aktive Zentrum. Dort halten drei Histidin-Reste und ein Tyrosin-Rest ein Zink-Ion fest; ein Wassermolekül ergänzt die Anordnung. Das Zink macht Serrapeptase zur Metalloprotease und unterscheidet sie von Proteasen, die stattdessen einen Serin- oder Cystein-Rest nutzen.

Der hintere Abschnitt ist eine spiralig gewundene Faltung, die mehrere Calcium-Ionen einlagert. Diese Bauform gab der Enzymgruppe ihren Namen: In der Peptidase-Einteilung gehört Serrapeptase zur Familie M10, Untergruppe M10B, den Serralysinen. Das Molekül wiegt rund 50 Kilodalton; die hinterlegte Sequenz umfasst 487 Aminosäuren.²

pH, Temperatur und der Grund für den Überzug

Enzyme arbeiten nur in einem engen Fenster aus Säuregrad und Temperatur. Aufgereinigte Serrapeptase-Präparate zeigen ihre höchste Aktivität im leicht basischen Bereich, um pH 9, und bei Temperaturen um 50 Grad Celsius.³ Ausserhalb dieses Fensters fällt die Aktivität ab.

Ein stark saures Umfeld setzt dem Molekül zu. Der Magensaft liegt bei etwa pH 2 und damit weit unterhalb des genannten Bereichs. Deshalb erhalten Zubereitungen mit Enzymen häufig einen magensaftresistenten Überzug: eine Polymerschicht, die sich im Sauren nicht löst, sondern erst weiter hinten, wenn das Umfeld weniger sauer wird. Das ist eine reine Frage der Darreichungstechnik und sagt nichts über eine Verwendung aus.

Herstellung durch Fermentation

Serrapeptase wird nicht aus Raupen gewonnen, sondern über Bakterienkulturen. Der Ablauf folgt dem üblichen Muster der Enzymtechnik:

• Anzucht: Die Kultur wächst in einem Rührkessel in einer Nährlösung, bei geregelter Temperatur, geregeltem pH-Wert und geregelter Belüftung.
• Ausscheidung: Das Bakterium gibt das Enzym in die Flüssigkeit ab. Es muss also nicht aus den Zellen herausgelöst werden.
• Abtrennung: Zellen und Schwebstoffe werden abzentrifugiert oder abfiltriert. Übrig bleibt eine enzymhaltige Lösung.
• Aufreinigung: Über Fällung und Chromatographie wird das Enzym von Begleitstoffen getrennt.
• Trocknung: Zum Schluss entsteht ein Pulver, dessen Aktivität gemessen und ausgewiesen wird.³

Warum Enzyme in Einheiten angegeben werden

Bei Enzymen ist die Masse eine schwache Auskunft. Ein Milligramm sagt, wie viel Substanz vorliegt — nicht, wie viel davon noch arbeitsfähig ist. Ein teilweise inaktiviertes Präparat wiegt genauso viel wie ein frisches.

Deshalb misst man die Aktivität: den Stoffumsatz je Zeiteinheit unter festgelegten Bedingungen. Angegeben wird sie in Enzymeinheiten.

Zur Abgrenzung: verwandte Enzyme aus Pflanzen

In der Lebensmitteltechnik sind zwei pflanzliche Proteasen seit Langem gebräuchlich. Beide zerlegen ebenfalls Eiweisse, gehören aber zu einer anderen Enzymklasse.

• Bromelain aus der Ananas (Ananas comosus): Stammbromelain trägt die Kennung EC 3.4.22.32 und ist die häufigste Protease des Ananasstamms.
• Papain aus der Papaya (Carica papaya): Kennung EC 3.4.22.2, gewonnen aus dem Milchsaft der Frucht.

Beide nutzen im aktiven Zentrum einen Cystein-Rest, nicht ein Metall-Ion. Sie zählen deshalb zu den Cystein-Endopeptidasen, Serrapeptase dagegen zu den Metalloproteasen. Verwandt sind sie in der Aufgabe, nicht im Bauplan.

Steckbrief

Was in der Schweiz ausgelobt werden darf

Gesundheitsbezogene Angaben sind in der Schweiz abschliessend geregelt. Zulässig ist nur, was im Anhang 14 der Verordnung des EDI betreffend die Information über Lebensmittel (SR 817.022.16) aufgeführt ist. Für Enzyme führt dieser Anhang keine Angabe. Diese Seite bleibt deshalb frei von solchen Aussagen und beschreibt allein Herkunft, Bau und Herstellung des Stoffes.

Häufige Fragen

Was ist Serrapeptase?

Ein Eiweiss spaltendes Enzym aus dem Bakterium Serratia. In der Enzymnomenklatur heisst es Serralysin und trägt die Kennung EC 3.4.24.40. Im aktiven Zentrum sitzt ein Zink-Ion.

Was hat der Seidenspinner damit zu tun?

Der Bakterienstamm, an dem das Enzym in den 1960er-Jahren beschrieben wurde, stammte aus dem Darm der Raupe von Bombyx mori. Der Kokon dieser Raupe besteht aus den Eiweissen Fibroin und Sericin.

Wie heisst das Bakterium heute?

Serratia marcescens. Der Stamm wurde ursprünglich als Serratia sp. E-15 geführt. Die Gattung wird seit 2016 zur Familie Yersiniaceae gestellt, zuvor zu den Enterobacteriaceae.¹

Warum sind Zubereitungen magensaftresistent überzogen?

Weil das Enzym im stark sauren Umfeld an Aktivität verliert.³ Der Überzug besteht aus einem Polymer, das sich erst löst, wenn das Umfeld weniger sauer ist. Das ist eine Frage der Darreichungstechnik.

Warum steht auf Enzymen eine Einheit statt einer Milligrammzahl?

Weil die Masse nichts über die Arbeitsfähigkeit aussagt. Gemessen wird der Stoffumsatz je Zeit unter festgelegten Bedingungen. Zwei Angaben sind nur vergleichbar, wenn dasselbe Prüfverfahren dahintersteht.

Worin unterscheidet sich Serrapeptase von Bromelain und Papain?

Im Bauplan des aktiven Zentrums. Bromelain und Papain nutzen einen Cystein-Rest, Serrapeptase ein Zink-Ion. Zudem stammen die beiden pflanzlichen Enzyme aus Ananas und Papaya, Serrapeptase aus einer Bakterienkultur.

Quellen

1. Adeolu M. et al., Genombasierte Neuordnung der Enterobacterales, Int J Syst Evol Microbiol 2016 — DOI 10.1099/ijsem.0.001485, PMID 27620848 ↩
2. Hamada K. et al., Crystal structure of Serratia protease from Serratia sp. E-15, J Biochem 1996 — DOI 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a021320, PMID 8797082 ↩
3. Chander D. et al., Aufreinigung und Kennzeichnung einer hitzeaktiven Serratiopeptidase, AMB Express 2021 — DOI 10.1186/s13568-021-01215-7, PMID 33835269 ↩