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 Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
27.06.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Glykane als Biomarker für Krebs?
27.06.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen

27.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wave Trophy 2017: Doppelsieg für die beiden Teams von Phoenix Contact

27.06.2017 | Unternehmensmeldung

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie