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Effizientere Rohstoffnutzung mit Hilfe von „molekularen Fließbändern“

05.09.2017

Wertvolle Produkte wie Treib- und Kunststoffe oder Pharmazeutika aus nachwachsenden Rohstoffen zu gewinnen, ist bisher nicht effizient genug, weil die verwendeten Mikroorganismen den Rohstoff nur langsam verwerten und neben gewünschten Substanzen auch noch viele Nebenprodukte herstellen. Biotechnologen der Goethe-Universität ist es jetzt gelungen, die Zuckerverwertung in Bäckerhefe zu optimieren.

Mikroorganismen wie die Bäckerhefe kann man sich wie eine Miniaturfabrik vorstellen: Die Rohstoffe (in der Regel Zucker) werden durch Pforten (Transporter-Proteine) aufgenommen und in einem mehrstufigen Prozess mithilfe von Enzymen umgebaut.


Damit der Zucker nur von Enzymen umgesetzt wird, die biotechnologisch gewünschte Produkte liefern (grüne Ovale), verknüpft man sie über eine Andock-Station direkt mit dem Transporter (rechtes Bild).

Mislav Oreb, Goethe-Universität

Anders als in einer menschengemachten Fabrik werden aber in Mikroben nicht nur die technologisch interessanten Produkte hergestellt, sondern auch viele Nebenprodukte. Das liegt daran, dass verschiedene Enzyme um den Zucker konkurrieren, so dass verschiedene für das Überleben der Zelle wichtige Bausteine entstehen.

Thomas Thomik und Dr. Mislav Oreb vom Institut für Molekulare Biowissenschaften der Goethe-Universität ist es nun gelungen, den Stoffwechsel von Bäckerhefe so zu kanalisieren, dass die Rohstoff-Zucker produktiver genutzt werden.

In der aktuellen Ausgabe der angesehenen Zeitschrift Nature Chemical Biology stellen die Frankfurter Forscher einen neuen Mechanismus vor, mit dem die Rohstoffe von Transporter-Proteinen direkt an die erwünschten Enzyme geliefert werden.

„Wir haben ein „Scaffold-Protein“ konstruiert, das an das Transporter-Protein bindet und anschließend als eine Andockstation für die gewünschten Enzyme dient. Erkennungscodes, mit dem die Enzyme versehen sind, ermöglichen das Andocken.

So entsteht eine Ansammlung von erwünschten Enzymen in der Nähe des Transporters. Dadurch kann die Zelle den Rohstoff wie am Fließband bearbeiten, ohne dass die konkurrierenden Enzyme die Gelegenheit bekommen, ihn umzusetzen“, erklärt Mislav Oreb das Prinzip.

In ihrer Arbeit zeigen die Frankfurter Biotechnologen, dass der Zucker Xylose durch solche „molekularen Fließbänder“ (Transport-Metabolons) effizienter in Ethanol umgewandelt wird, indem die Produktion des unerwünschten Nebenproduktes Xylitol minimiert wird.

„Das zugrundeliegende Prinzip könnte angewandt werden, um aus verschiedenen Zuckern beliebige Produkte wie Biotreibstoffe, Kunststoffe oder Pharmazeutika herzustellen. Das Konzept hat das Potential, die biotechnologischen Prozesse generell ökologisch und wirtschaftlich nachhaltiger zu gestalten, da eine effiziente Zuckerverwertung eine grundlegende Voraussetzung hierfür ist“, erklärt Mislav Oreb die Bedeutung des neuen Verfahrens.

Ein Bild zum Download finden Sie unter: www.uni-frankfurt.de/68258883
Bildtext: In der Bäckerhefe konkurrieren verschiedene Enzyme um Zuckermoleküle, die durch Transporter-Proteine in die Zelle aufgenommen werden. Damit der Zucker nur von Enzymen umgesetzt wird, die biotechnologisch gewünschte Produkte liefern (grüne Ovale), verknüpft man sie über eine Andock-Station direkt mit dem Transporter (rechtes Bild).

Publikation
Thomas Thomik, Ilka Wittig, Jun-yong Choe, Eckhard Boles und Mislav Oreb: An artificial transport metabolon facilitates improved substrate utilization in yeast, in Nature Chemical Biology

Information: Dr. Mislav Oreb, Institut für Molekulare Biowissenschaften, Fachbereich 15, Campus Riedberg, Tel.: (069) 798-29331, M.Oreb@bio.uni-frankfurt.de.

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