Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Optimierte Mikrobenfabriken

10.07.2013
Max-Planck- und Fraunhofer-Wissenschaftler entwickeln effiziente Biosyntheseverfahren zur Gewinnung von pharmakologisch und industriell wichtigen Wirkstoffen.

Forschungsprojekte, die von der Max-Planck- und der Fraunhofer-Gesellschaft gemeinsam durchgeführt werden, erhalten eine zusätzliche finanzielle Förderung und stoßen dadurch die Tür weit auf zu neuen Erkenntnissen in direkter Kombination mit industriellen Anwendungen.


Die Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) in einer Röhre.
Marion Rehers / Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME)

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie, Aachen, und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, werden sich in den kommenden drei Jahren der Optimierung des sogenannten MEP-Stoffwechselweges widmen. Mikroben und die Chloroplasten der Pflanzen bilden über diesen Weg zahlreiche Wirkstoffe, die der Mensch seit Jahrtausenden pharmakologisch, im Pflanzenschutz oder zu industriellen Zwecken nutzt.

Produktion und Gewinnung der Wirkstoffe sind aber in der Regel nur unter großem technischem Aufwand möglich. Das Ziel des Gemeinschaftsprojekts ist es daher, Bakterien mit einem verbesserten MEP-Biosyntheseweg einzusetzen, um die Biosynthese, Handhabung und Ausbeute MEP-abhängiger Naturstoffe grundlegend zu verbessern.

Enge Verwandte: Chloroplasten und Prokaryonten

Die entscheidende Hilfestellung für das Zustandekommen der Kooperation zwischen dem Fraunhofer- und dem Max-Planck-Institut kommt aus der Natur selbst dank eines Ereignisses, das mit ziemlicher Wahrscheinlichkeit und schon vor vielen Millionen Jahren stattgefunden hat. Im Laufe der Evolution haben Einzeller andere einzellige Lebensformen in sich aufgenommen, beispielsweise Vorläufer der heute vorkommenden prokaryontischen Cyanobakterien. Aus einer solchen „Endosymbiose“, so die Theorie, sind die Pflanzenzellen mitsamt ihren Chloroplasten entstanden, und die Chloroplasten zeigen bis heute immer noch Ähnlichkeit mit prokaryontischen Zellen.

Wie Pflanzenwissenschaftler vor einigen Jahren herausgefunden haben, besitzen Chloroplasten - die Endosymbiontentheorie einmal mehr erhärtend - einen Stoffwechselweg, der ebenfalls in Prokaryonten, z.B. Bakterien, vorkommt und der Herstellung zahlreicher sogenannter Sekundärmetabolite dient: den Methylerythritol-4-Phosphat-Weg, kurz MEP-Stoffwechselweg. Aus Zwischenprodukten der Glykolyse erfolgt in mehreren Schritten die Synthese von aus je fünf Kohlenstoffatomen bestehenden Moleküleinheiten, aus denen baukastenähnlich beispielsweise Chlorophylle, Carotinoide, Terpene, Cytokinine, Sterole und viele andere biologische Substanzen gebildet werden. Auch die Produktion mancher Giftstoffe, die Pflanzen gegen Schädlinge einsetzen, basiert auf dem MEP-Stoffwechselweg.

Vitamine und Aromen, Medikamente und Pflanzenschutzmittel: Die Gewinnung vieler Wirkstoffe für den täglichen Gebrauch ist nach wie vor umständlich.

Die Entdeckung vieler heute gebräuchlicher Substanzen in Pflanzen und Bakterien hat der Menschheit viel Gutes geleistet. Jedoch: Deren Isolation, Reinigung und Aufarbeitung aus den natürlichen Ressourcen ist umständlich und teuer. Eine chemische Synthese wiederum ist deswegen schwierig oder gar unmöglich, weil alle diese Substanzen komplizierte Kohlenwasserstoff-Strukturen darstellen, deren exakter und schrittweiser Aufbau in der Retorte so gut wie unmöglich ist.

Die Gewinnung der Grundsubstanz Isopren aus Erdöl - ein heute immer noch geläufiges Verfahren - ist wiederum weder umweltfreundlich und noch nachhaltig. Stefan Jennewein vom Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie sowie Louwrance Wright und Jonathan Gershenzon vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie haben sich daher vorgenommen, den vor rund 15 Jahren entschlüsselten MEP-Stoffwechselweg, der zur Biosynthese der Isopren-Grundbausteine führt, derart zu studieren und zu modifizieren, dass die Herstellung der für den Menschen wichtigen Substanzen durch den Einsatz optimierter Bakterien erheblich erleichtert wird. Die Max-Planck-Wissenschaftler widmen sich der Frage nach der Regulation des MEP-Stoffwechselweg am Beispiel der Chloroplasten aus der Modellpflanze Arabidopsis thaliana und Stefan Jennewein bearbeitet die mikrobiologisch-technische Seite: Er erzeugt transgene Bakterienstämme der Spezies Escherichia coli und Clostridium ljungdahlii, die nach Optimierung ihres MEP-Stoffwechselweges die Endprodukte produzieren sollen.

Optimierter MEP-Stoffwechsel: bessere Ausbeute, bessere Qualität

Erforscht werden in den kommenden drei Jahren - und dank einer Förderung von rund 1,6 Millionen EUR für beide Institute - die Regulation der Aktivität der sieben aufeinanderfolgenden enzymatischen Katalyseschritte, die jeweiligen Metabolitgehalte der Zwischenprodukte durch Verwendung von 13C Isotopen sowiedie Bildung der Enzyme auf den Ebenen der Transkription und Translation ihrer jeweils kodierenden Gene. Zum Einsatz kommen auch transgene Pflanzen und Bakterien, in denen ausgewählte Enzyme ausgeschaltet oder überexprimiert sind, um im Vergleich mit unveränderten Organismen die Schlüsselrolle bestimmter Biosyntheseschritte herauszufinden. Auch ein Einfügen alternativer oder zusätzlicher Gene in die beiden Bakterienarten Escherichia coli und Clostridium ljungdahlii ist geplant. In Großfermentern eingesetzt, sollen dann aus MEP-Stoffwechselweg-optimierten Mikroorganismen die gewünschten Produkte gewonnen werden.

Für die chemische Industrie sind MEP-optimierte Bakterien auch im Zusammenhang mit der Verarbeitung sogenannten Syngases interessant. Syngas, eine Mischung aus Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff, fällt beispielsweise in Kraftwerken und Stahlhütten an. MEP-optimierte Clostridium-Bakterien mit verbesserter Isopren-Synthase könnten diese drei Gase zu Isopren umsetzen, aus dem nachfolgend beispielsweise Isopren-Kautschuk gewonnen werden könnte. In vergleichbaren Prozessen könnten aus Syngas sogar Biokraftstoffe hergestellt werden. Ein solches, auf Bakterien beruhendes Verfahren ist der herkömmlichen Fischer-Tropsch-Synthese überlegen, da Syngas ungereinigt in Fermentern eingesetzt werden kann. Dem auf Metallkatalyse basierenden Fischer-Tropsch-Verfahren hingegen muss hochgereinigtes Syngas zugeführt werden.Zudem ist es sehr energieaufwendig.

Medikamente gegen Malaria und Tuberkulose

Die Erforschung der entscheidenden Regulationsschritte des MEP-Stoffwechselweges kann auch zur Entwicklung und Produktion neuer Pharmazeutika für den Menschen beitragen, beispielsweise gegen Krebs oder Malaria. Die Wirkstoffe Taxol beziehungsweise Artemisinin könnten durch Bakterien mit modifiziertem MEP-Stoffwechsel in Fermentern erzeugt und gewonnen werden. [JWK]

Weitere Informationen von

Prof. Dr. Jonathan Gershenzon, MPI chemische Ökologie, gershenzon@ice.mpg.de, +49 3641 57 1301

Dr. Stefan Jennewein, Fraunhofer Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie, stefan.jennewein@ime.fraunhofer.de, +49 241 6085 12120

Kontakt und Bildanfragen

Angela Overmeyer M.A., MPI für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8,
07743 Jena, Tel.: 03641 57-2110, overmeyer@ice.mpg.de
Download von hochaufgelösten Fotos über http://www.ice.mpg.de/ext/735.html

Angela Overmeyer | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.ice.mpg.de/ext/1036.html?&L=1

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Einblick ins geschlossene Enzym
26.06.2017 | Universität Konstanz

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

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: 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...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Digital Mobility“– 48 Mio. Euro für die Entwicklung des digitalen Fahrzeuges

26.06.2017 | Förderungen Preise

Fahrerlose Transportfahrzeuge reagieren bald automatisch auf Störungen

26.06.2017 | Verkehr Logistik

Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit

26.06.2017 | Physik Astronomie