Levanaasid

Struktuur

Levanaasid kuuluvad oma aminohappelise järjestuse ja struktuurilise ülesehituse põhjal glükosiidi hüdrolaaside 32. perekonda (CAZy andmebaasis GH32) koos invertaaside, transglükosüülaaside ja teiste glükosiidi hüdrolaasidega.
Selle sugukonna ensüümid koosnevad kahest struktuursest subühikust: katalüütilisest domeenist ja sahhariidi siduvast domeenist (CBM). Kahe domeeni vahel on linkerala.
Katalüütiline domeen asub valgu N-terminaalses otsas ning on 5-labalise β-propelleri ehitusega. Katalüütiliselt aktiivne piirkond asub propelleri labadevahelises õõnsuses. Selles on katalüüsis osalevad 3 aminohappe jääki: kaks aspartaati ja üks glutamaat. Sarnase katalüütilise domeeni ehitusega on ka glükosiidi hüdrolaaside 68. perekonna ensüümid, mille hulka kuuluvad näiteks ka levaansukraasid (sahharoosist levaani tootvad ensüümid).
CBM-domeen asub levanaasi C-terminaalses otsas ja moodustab β-"võileiva" struktuuri (kaks kuuest antiparalleelsest β-ahelast koosnevat β-lehte). See domeen stabiliseerib ensüümi, abistab substraadile sidumisel ning suurendab ensüümi afiinsust substraadile ja katalüüsi efektiivsust.

Funktsioon

Levanaaside funktsioon bakterites on lagundada levaani polümeeri rakku transporditavateks oligosahhariidideks. Kuna levanaasid on bakteritel rakuvälised ensüümid, satuvad hüdrolüüsi saadused keskkonda, kus neid saavad kasutada ka teised mikroorganismid.
Levanaasi vajalikkuse põhjused peedis pole selged, kuid oletatakse, et see võib aidata lagundada patogeensete bakterite levaani sisaldavat limast biofilmi.

Substraat

Levanaaside peamine lagundatav substraat on 2,6-β-D-fruktofuranosüül sidemetega seotud fruktoosijääkidest koosnev polümeerne sahhariid ehk levaan, kuid mitmed levaaniahelat otsast lagundavad levanaasid suudavad samamoodi hüdrolüüsida ka inuliini. Levanaaside substraadi lagundamise võime oleneb ka polüsahhariidi struktuurist ja molekulmassist. Lineaarseid ja vähem hargnendud levaani polümeere lagundatakse kiiremini ja edukamalt kui hargnenud polümeere. Ka väiksema molekulmassiga levaane hüdrolüüsitakse kiiremini kui suuremaid.

Reaktsioon

Levanaas hüdrolüüsib vee juuresolekul levaani polümeeri 2,6-β-D-fruktofuranosüül sidemed.

Saadused

Hüdrolüüsides levaani polümeeris olevaid sidemeid, toodab levanaas lühemaid levaan-tüüpi fruktooligosahhariide ehk FOS-e polümerisatsiooniastmetega 2-12 monomeeri. Milliseid FOS-e kõige rohkem tekib, sõltub ensüümist, kuid sage on levaanbioosi (koosneb kahest fruktoosi monomeerist) või levaantrioosi (koosneb kolmest fruktoosi monomeerist) ülekaal. Lisaks FOS-idele tekib ka fruktoosi monomeere.

Paiknemine rakus

Levanaas on rakuväline ensüüm ehk polümeeri lagundamise protsess toimub väljaspool rakku. Gramnegatiivsetel bakteritel, näiteks Bacteroides thetaiotaomicron'il, on ensüüm kinnitunud raku välismembraanile. Peedis asub ensüüm raku kestas.
Metaboolselt on levanaas ja selle reaktsioonid osa tärklise ja sahharoosi metabolismi rajast.

Optimaalsed tingimused

Optimaalne pH ensüümi tööks on 4–7, kuid võib ulatuda üksikutel levanaasidel kuni pH-ni 10. Temperatuuri optimum jääb vahemikku 30–50 °C. Ensüümi aktiivust inhibeerivad metallide ioonid (nt Hg²⁺ ja Ag⁺) ja EDTA. Levanaasi taset bakterirakus vähendab sahharoosi esinemine keskkonnas. Sahharoosi allasuruv toime tuleneb selle eelistamisest levaanile süsiniku allikana. Ka väga kõrge fruktoosi tase inhibeerib levanaasi ekspressiooni rakus.

Levanaasi kasutusalad

Levanaase kasutatakse toiduainetööstuses, kosmeetikatööstuses, põllumajanduses ja meditsiinis.
Toiduainetööstuses kasutatakse levanaase fruktoosisiirupite ja kalorivabade magusainete tootmiseks. Tulevikus võiks levanaase rakendada uute prebiootikumide tootmiseks. Levaan ise erilist prebiootilist toimet ei oma, kuid on prekursoriks paljudele prebiootilistele FOS-idele. Tarbides levaani, soodustatakse levanaasi omavate bakterite elutegevust inimese soolestikus. Need bakterid toodavad FOS-e, mis on omakorda toitaineks teistele probiootilistele bakteritele. Näiteks inimese soolestikus enim levinud bakterid laktobatsillid ei oma levanaasu ega suuda levaani lagundada, kuid selle hüdrolüüsi saadusi tarvitavad meeleldi.
Põllumajanduses kasutatakse levanaase biotsiidide toimeefektiivsuse tõstmiseks. Need aitavad lagundada kaitsva limakihi kemikaali paremaks rakku tungimiseks.