Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Meilensteine auf dem Weg zur gläsernen Zelle

05.10.2006
Aminosäuren sind wichtige Bausteine des Lebens. Sie werden in großen Mengen für die Tierernährung, aber auch für die Pharmaproduktion benötigt. Die bisherigen biotechnischen Herstellungsverfahren liefern aber nur relativ bescheidene Ausbeuten. Einen neuen Ansatz verfolgen jetzt Wissenschaft und Industrie gemeinsam. Sie nutzen – ähnlich wie bei der Wettervorhersage – die enorme Leistungssteigerung von Computern, die immer bessere Prognosen erstellen können.

Das gilt auch für die Simulation lebender Systeme. Biologen, Informatiker und Mathematiker, Ingenieure und Systemwissenschaftler sind so auf dem Weg zur gläsernen Zelle. „Neben grundsätzlichen Erkenntnissen über die Stoffwechselregulation wollen wir insbesondere unsere fermentativen Herstellungsprozesse verbessern und die Ausbeuten an Aminosäuren erhöhen“, setzt Dr. Ralf Kelle Ziele. Der Wissenschaftler ist im Geschäftsbereich Feed Additives der Degussa AG für die biotechnologische Forschung zuständig

Unter Federführung des Chemieunternehmens wurde das umfangreiche Verbundprojekt zur Systembiologie von Mikroorganismen Ende 2005 gestartet. Im Mittelpunkt des vom BMBF geförderten Vorhabens steht das Corynebacterium glutamicum, das Degussa bereits zur Produktion von Aminosäuren für die Tierernährung sowie für Food- und Pharmaanwendungen einsetzt. Beteiligt an diesem Vorhaben mit dem Titel „Systemorientierte Analyse des Zentralstoffwechsels mikrobieller Aminosäureproduzenten“ (SysMAP) sind insbesondere das Forschungszentrum Jülich, die Universität Bielefeld und die Firma Genedata (Basel, Martinsried) sowie fünf weitere deutsche Universitäten. Benötigt werden Mittel von mehr als 5 Mio. € über 3 Jahre, von denen Degussa 60 % trägt.

SysMAP ist ein wegweisendes Projekt, das Deutschland in eine Spitzenposition bei der industriellen Anwendung der zukunftsträchtigen Systembiologie bringen soll. Dieser noch junge Zweig der Life Sciences beschäftigt sich mit der Dynamik biologischer Systeme und zielt mit einer ganzheitlichen Sichtweise darauf ab, realitätsnahe Modelle von physiologischen Vorgängen in Zellen, Zellverbänden und ganzen Organismen zu entwickeln. In diesem Sinne ist er eine Antwort auf die Frage, wie das explodierende genombasierte Wissen genutzt werden kann, um Zellen und Organismen quantitativ zu verstehen und zu beschreiben. Dafür unerlässlich ist eine intensive Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen Biologie, Informatik und Mathematik sowie System- und Ingenieurswissenschaften.

Ähnlich wie bei der Wettervorhersage, die dank der enormen Leistungssteigerung bei Computern immer bessere Prognosen ermöglicht, könnte sich ein alter Forschertraum erfüllen: die Simulation ganzer lebender Systeme oder, knapp gesagt, die gläserne Zelle. „Die Systembiologie ist die entscheidende Methodik für die nächsten Jahrzehnte“, betont auch Prof. Alfred Pühler vom Institut für Genomforschung der Uni Bielefeld. Zum anderen ist das Corynebacterium ein guter alter Bekannter, der zu den bewährten Arbeitspferden bei der industriellen Herstellung von Aminosäuren z.B. als Futtermitteladditiv zählt.

Im Mittelpunkt von SysMAP steht die Regulation des Citrat-Zyklus, da dieser zentrale Aufgaben in der Energieversorgung und in der Bereitstellung von Bausteinen für vielfältigste biotechnologische Produkte übernimmt. Das Verbundprojekt will die Vorgänge im Citrat-Zyklus umfassend auf allen Kommunikationsebenen der Zelle aufklären. „Dieser Zyklus ist die entscheidende Stoffwechseldrehscheibe, von der alle >Züge

Mittelfristig soll das Projekt einen zusätzlichen Know-how-Vorsprung beim Einsatz des Bodenbakteriums in der industriellen Anwendung ermöglichen – eine Strategie, die angesichts der globalen Herausforderung sinnvoll und notwendig ist. „Die Vorteile asiatischer Wettbewerber bei den Fixkosten können nur durch einen technologischen Vorsprung kompensiert werden, der sich insbesondere in niedrigerem Energie- und Rohstoffverbrauch niederschlägt“, prognostiziert Kelle.

Modellrechnungen für Lysin, Threonin und andere Aminosäuren zeigen, dass trotz der umfassenden Forschungsarbeiten in den vergangenen Jahrzehnten die Produktausbeuten bezogen auf die eingesetzten Rohstoffe in der industriellen Praxis - derzeit etwa 40 bis 50 % - noch weit hinter den theoretisch möglichen Werten zurückbleiben; letztere liegen je nach Produkt teilweise über 70 %. Der Grund dafür sind die anspruchsvollen Bedingungen für den Erzeugerorganismus in einem industriellen Produktionssystem und das bisher weitgehend nur qualitative Verständnis der Wechselwirkung, die sich zwischen intrazellulärer Regulation und den extrazellulären Bedingungen im Produktionsfermenter einstellt.

„Degussa hat ein Produktionsvolumen von über 100.000 t Aminosäuren pro Jahr, da ist eine Ausbeutesteigerung von wenigen Prozent schon sehr viel“, betont Kelle. Zu Einsparungen bei der Kohlenstoffquelle addieren sich verringerte Aufwendungen für Abwasser, Abfall und Energie sowie eine vereinfachte Verfahrensführung und geringere Produktverluste in der Aufarbeitung der Fermentationsbrühe. Dieser Vorsprung könnte den weiteren ökonomischen Erfolg gerade im Wettbewerb mit den schnell wachsenden Konkurrenten aus Fernost garantieren.

Weitere, langfristigere Zielsetzungen des Projekts liegen darin, durch das tiefere Verständnis der Zellvorgänge flexibel auf Veränderungen der Rohstoff- und Energiemärkte reagieren zu können und die Entwicklungszeiten für neue Produkte signifikant zu verkürzen. Zudem ließen sich identische Bakterienstämme als Plattform entwickeln, die sich nach wenigen definierten Veränderungen für die Herstellung von Verbindungen eignen, die in sehr unterschiedlichen Mengen benötigt werden. Das gilt einerseits zum Beispiel für hoch spezialisierte Arzneimittelbausteine, andererseits für Futtermittelzusätze im Tonnenmaßstab. Ein derartiger Spagat wird nur durch den systembiologischen Ansatz gelingen.

Rolf Froböse | Rolf Froböse
Weitere Informationen:
http://www.bmbf.de

Weitere Berichte zu: Aminosäure Degussa Systembiologie Zelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Sollbruchstellen im Rückgrat - Bioabbaubare Polymere durch chemische Gasphasenabscheidung
02.12.2016 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht "Fingerabdruck" diffuser Protonen entschlüsselt
02.12.2016 | Universität Leipzig

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie