Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Synthetische Biotechnologie ermöglicht nachhaltige Produktion bioaktiver Naturstoffe

07.06.2016

Die Natur stellt eine Vielzahl für den Menschen wertvoller Wirkstoffe bereit, die Palette reicht von Vitaminen über lebensnotwendige Fettsäuren bis hin zu krebshemmenden Substanzen. Viele dieser Stoffe sind schwierig aus der Natur zu gewinnen oder synthetisch herzustellen. Einen neuen Weg beschreiten Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM): Mit Methoden der Synthetischen Biotechnologie stellen sie Omega-3-Fettsäuren nachhaltig her und haben eine Strategie entwickelt, mit der sie nicht nur natürliche, sondern sogar ganz neuartige Arzneistoffe synthetisieren können.

In der Natur gibt es viele wertvolle Arznei- und Nährstoffe. Diese sind jedoch oft entweder schwer zugänglich oder ihre industrielle Gewinnung schadet den Tier- und Pflanzenpopulationen, in denen sie vorkommen. So enthält beispielsweise die Rinde der pazifischen Eibe (Taxus brevifolia) den Wirkstoff Taxol, der als Medikament gegen Brust-, Eierstock- und Lungenkrebs eingesetzt wird. Jedoch ist die Eibenart nicht weit verbreitet und geschützt.


Taxadien Synthase mit dem Substrat Geranylgeranyldiphosphat in der aktiven Tasche des Enzymes. Die grünen Punkte zeigen die katalytisch relevanten Mg2+-Ionen.

Bild: Max Hirte / TUM


Mitautor Felix Bracharz bei der Vorbereitung eines Hochdurchsatz-Nile Red Assay

Bild: Andreas Battenberg / TUM

Auch die lebensnotwendigen Omega-3-Fettsäuren, beispielsweise ein Bestandteil von Säuglingsnahrungen, werden derzeit vor allem aus Fischen und Krebstieren hergestellt – eine zusätzliche Belastung für die ohnehin schon stark beanspruchten marinen Ökosysteme.

Ziel der Arbeitsgruppe um Thomas Brück, Professor für Industrielle Biokatalyse an der Technischen Universität München, ist es daher, mit Hilfe von Methoden der Biochemie, Bioinformatik und Biotechnologie chemische Wertstoffe nachhaltig und doch in industriellen Mengen zu gewinnen.

„Gold“ aus Stroh – eine Hefe mit hohem Potential

Nun ist es Brück und seinem Team gelungen, die bislang nicht biotechnologisch genutzte Hefe Trichosporon oleaginosus genetisch so zu verändern, dass sie die essentiellen Omega-3-Fettsäuren Alpha-Linolensäure (ALA), Eicosapentaensäure (EPA) sowie entzündungshemmend wirkende konjugierte Linolensäuren (CLAs) herstellt.

Als Energiequelle kann die Hefe dabei Nährmedien auf Basis von fast allen in der Agrarwirtschaft anfallenden Abfällen wie Stroh, Holzspäne, Weizenkleie und sogar bisher ungenutzte marine Reststoffe wie Krabbenschalen verwerten. „Diese Hefe ist etwas Besonderes, da sie auch monomere Zuckerstoffe verwerten kann, die sonst nur sehr schwer abgebaut werden können“, erklärt Brück. „Wir gewinnen also aus Abfällen hochwertige chemische Stoffe, und das ohne die Umwelt zu belasten.“

Geraten Trichosporon oleaginosus-Zellen in der Natur unter Stress, beispielsweise durch Mangel an Stickstoff oder Phosphat, lagern sie Fette als Energiereserve ein. Zwar wächst die Hefe dann nicht mehr optimal, doch kann das in Form von Trigylceriden einlagerte Fett bis zu 70 Prozent ihres Trockengewichts erreichen.

In zukünftigen Projekten wollen die Wissenschaftler um Brück die ölbildende Hefe daher so weiter modifizieren, dass sie auch unter normalen Nährstoffbedingungen die gewünschten Fette in ausreichendem Maß herstellt, ohne das Ihr Wachstum gehemmt wird.

Von der Simulation zum maßgeschneiderten Enzym

Einen Schritt weiter geht eine Methodik, die die Wissenschaftler um Brück kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) vorstellten: Mit Hilfe molekularmechanischer Computersimulationen konnten sie die einzelnen Schritte aufklären, mit denen eine bestimmte Klasse von Enzymen Wirkstoffe herstellt. Zu diesen gehören auch Vorstufen des Krebsmedikaments Taxol.

Allein durch Simulationen am Computer gelang es Brück und seinem Team erstmals, sämtliche Zwischenschritte der an diesem Enzym ablaufenden komplexen Kaskade von Reaktionen korrekt vorherzusagen. Auf diese Weise konnten sie aufklären, wie das Enzym genau arbeitet und wie dessen Struktur und Funktion zusammenhängen. Mit klassischen biochemischen Methoden war dies zuvor nicht möglich gewesen.

„Dieses Vorgehen ist sehr vielversprechend, denn auf Basis der Simulationen können wir Enzyme gezielt verändern und die daraufhin entstehenden Produkte vorhersagen“, sagt Brück. „Wenn wir dann noch verschiedene solcher Enzyme miteinander verschalten, ist es sogar möglich, komplett neue Moleküle zu schaffen, die in der Natur gar nicht vorkommen.“

Durch Verschalten einer Diterpensynthase mit einer Hydroxylase-Reduktase in einem Escherichia coli-basierten Produktionsystem entwickelten die Wissenschaftlern eine effiziente Synthese des trihydroxylierten Diterpens Cyclooctatin, einem potenten Entzüngungshemmer.

Am Computer identifizierten sie eine für Diterpenmakrozyklen spezifische Reduktase im erst kürzlich erst kürzlich beschriebenen Genom des Bakteriums Streptomyces afghaniensis. Die biotechnologische Nutzung dieses Proteins ermöglichte es den Wissenschaftlern, die Ausbeute des Wirkstoffes im Vergleich zum nativen Produzenten um einen Faktor 43 zu erhöhen.

In Zukunft könnten Biotechnologen einmal ähnlich wie Ingenieure vorgehen, die am Computer die Produktionsschritte für ein neues Auto entwerfen. Mit dem Wissen der Synthetischen Biotechnologie könnten sie dann den Syntheseweg zu einem neuen Wirkstoff aus einer Kette von Reaktionen modifizierter Enzyme zusammenstellen. Das lange und sehr aufwändige „Austüfteln“ neuer Synthesewege im Labor, wie es heute notwendig ist, würde damit erheblich verkürzt.

Die aktuellen Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe Brück werden mit Mitteln der Europäischen Gemeinschaft (Projekt ChiBio), der Bundesministerien für Bildung und Forschung (Advanced Biomass Value, SysBioTerp, OMCBP) und für Wirtschaft (Projekt Bio@Jet) sowie der bayrischen Ministerien für Wissenschaft (Algenflugkraft), Wirtschaft (Algenflugkraft, Nachhaltige Produktion von Bioinsektiziden) und Umwelt (Geobiotechnologie und PHB) gefördert.

Aufgrund des enormen Potenzials dieser Methoden hat die Technische Universität München Anfang Mai den Lehr- und Forschungsschwerpunkt Synthetische Biotechnologie ins Leben gerufen. Die Werner Siemens-Stiftung unterstützt die Einrichtung des Schwerpunkts mit 11,5 Millionen Euro.

Publikationen:

P. Schrepfer, A. Buettner, C. Goerner, M. Hertel, J. van Rijn, F. Wallrapp, W. Eisenreich, V. Sieber, R. Kourist, T. Brück; Identification of amino acid networks governing catalysis in the closed complex of class I terpene synthases; PNAS, 2016, 113(8), E958-E967 – DOI: 10.1073/pnas.1519680113
Link: http://www.pnas.org/content/113/8/E958.abstract

Görner, C., Redai, V., Bracharz, F., Schrepfer, P., Garbe, D., & Brück, T. (2016). Genetic engineering and production of modified fatty acids by the non-conventional oleaginous yeast Trichosporon oleaginosus ATCC 20509. Green Chemistry, 2016, 18, 2037–2046 – DOI: 10.1039/c5gc01767j
Link: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/gc/2016/c5gc01767j#!divAbstract

Christian Görner, Patrick Schnepfer, Veronika Redai, Frank Wallrapp, Bernhard Loll, Wolfgang Eisenreich, Martin Haslbeck und Thomas Brück; Identification, characterization and molecular adaptation of class I redox systems for the production of hydroxylated diterpenoids;
Micobial Cell Factories (2016) 15:86 – DOI: 10.1186/s12934-016-0487-6
Link: https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12934-016-048...

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas Brück
Technische Universität München
Professur für Industrielle Biokatalyse
Lichtenbergstr. 4, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 13253 – E-Mail: brueck@tum.de
Web: http://www.ibc.ch.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Berichte zu: Biotechnologie Enzym Hefe Omega-3-Fettsäuren PNAS Produktion Taxol

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zirkuläre RNA wird in Proteine übersetzt
24.03.2017 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

nachricht Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen
24.03.2017 | Universität Bayreuth

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: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise