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Dritte Synmikro-Tagung ein voller Erfolg

Mikroorganismen haben sich im Laufe der Evolution praktisch jeden nur denkbaren Lebensraum erschlossen und dabei eine Vielfalt katalytischer Eigenschaften entwickelt, von denen viele seit Jahrzehnten biotechnologisch genutzt werden.

Wie dieses Potenzial mit Hilfe der modernen omics-Technologien und synthetischer Ansätze noch besser erschlossen werden kann, war das Thema der dritten Synmikro-Tagung „Von biologischer Diversität zu mikrobiellen Zellfabriken” am 24. April 2013.

Die Tagung, die von Erhard Bremer und Anke Becker vom LOEWE-Zentrum für Synthetische Mikrobiologie (Synmikro) der Philipps-Universität mit Unterstützung der Hessen Trade & Invest und des Clusters Integrierte Bioindustrie Frankfurt organisiert worden war, lockt von Jahr zu Jahr mehr Zuhörer in die Aula der Alten Universität – in diesem Jahr über 350 Teilnehmer aus Grundlagenforschung und forschender Industrie.

Dr. Guido Meurer von der BRAIN AG im südhessischen Zwingenberg beispielsweise stellte in seinem Vortrag zwei Projekte vor, bei denen Kohlenstoff-reiche Abfälle als Ausgangsmaterialien für die Industrie recycelt werden sollen. So kann etwa Roh-Glycerin aus der Biodiesel-Produktion laut Meurer von Escherichia coli verstoffwechselt und zum Flugzeug-Enteisungsmittel 1,2-Propandiol umgebaut werden. Indem die Forscher die Bakterien dahingehend veränderten, dass sie die entsprechenden Enzyme überproduzierten und außerdem in räumliche Nähe brachten, gelang es ihnen einerseits, die toxischen Zwischenprodukte dieser Reaktion zu minimieren, andererseits, die Ausbeute um den Faktor vier zu erhöhen. So weit ist man beim zweiten Projekt allerdings noch lange nicht: Im Rauchgaskanal eines RWE-Braunkohlekraftwerks konnten Meurer und sein Team rund verschiedene 1000 Mikroorganismen isolieren, die offenbar das Abgas Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle nutzen – auf welchem Weg sie das tun und in wie weit das auch biotechnologisch genutzt werden könnte, muss aber erst noch geklärt werden.

Auch Prof. Alfred Pühler vom Centrum für Biotechnologie in Bielefeld betonte, dass es für gute Biotechnologie gute Grundlagen(forschung) braucht. Mit Hilfe von Genomics, Transkriptomics und Proteomics haben er und sein Team das sogenannte Acarbose-Gencluster analysiert, das die Gene für die Produktion und Funktion der Acarbose enthält, eines sogenannten Sekundärmetaboliten des Bodenbakteriums Actinoplanes, der als Wirkstoff des Diabetes-TypII-Medikaments Glucobay den Stärkeabbau im Verdauungstrakt und damit den Glukoseanstieg im Blut verlangsamt. Basierend auf diesen Erkenntnissen soll nun entweder das Acarbose-Gencluster in einen anderen, aus biotechnologischer Sicht besser geeigneten Produktionsstamm eingebracht werden, oder aber der bestehende Produktionsstamm hinsichtlich Reinheit und Ausbeute an Acarbose gezielt optimiert werden.

Es gibt noch zahlreiche andere Beispiele aus der Biotechnologie und der organischen Chemie, in denen die eingesetzten Enzyme hinsichtlich ihrer Substratbreite, Stereoselektivität oder Stabilität zu wünschen übrig lassen. Enzymoptimierung war deshalb ein weiterer Schwerpunkt der Tagung. Prof. An-Ping Zeng von der TU Hamburg etwa berichtete in seinem Vortrag davon, wie es ihm mit einer gezielten Mutagenese des Enzyms Aspartokinase gelungen ist, die Ausbeute der Lysin-Produktion in Corynebakterien deutlich zu steigern; Lysin ist eine essenzielle Aminosäure, von der jedes Jahr mehrere Hunderttausend Tonnen biotechnologisch produziert werden, vor allem als Zusatz für Futtermittel. Dr. Jan Van den Brulle von der MorphoSys AG in Martinsried erläuterte, wie eine Enzymoptimierung im Hochdurchsatzverfahren technologisch umgesetzt werden kann – nämlich mit Hilfe der sogenannten Slonomics-Gensynthese-Technologie, die auf einer universell einsetzbaren Bibliothek doppelsträngiger DNA-Bausteine basiert und die man bei MorphoSys mit einer eigens entwickelten Roboter-Plattform inzwischen voll automatisiert hat. Prof. Manfred Reetz von der Philipps-Universität Marburg und seine Arbeitsgruppe haben ebenfalls eine sehr effiziente Form der Enyzmoptimierung entwickelt: die iterative Sättigungsmutagenese, eine Art gerichtete Evolution des entsprechenden Enzyms hin zu den gewünschten Eigenschaften. Dabei wird die erste Mutation im Enzym aufgrund von Daten zur dreidimensionalen Struktur gezielt eingeführt, anschließend werden noch weitere Zyklen einer zufälligen Mutagenese gemacht. Die so erzielten Effekte seien nicht nur additiv, betonte Reetz, sondern kooperativ.

Laut Dr. Esther Gabor von der BRAIN AG ist es allerdings schwierig, mit einer Mutagenese nicht nur ein einzelnes Enzym, sondern auch die Produktivität des ganzen Organismus zu verbessern. Mit Hilfe der Metagenomforschung, bei der das Erbgut aller in einem bestimmten Lebensraum vorkommenden Organismen, etwa aller Bakterien in einer Bodenprobe, analysiert wird, sucht sie deshalb nach natürlich vorkommenden – und damit schon erprobten – Enzymvarianten. Gabor konnte zeigen, dass es in einem solchen Metagenom nicht nur die Makrodiversität, also die Vielfalt an verschiedenen Organismen, sondern in Form von Mutanten auch noch eine große Mikrodiversität gibt. Bei 1,5 Billionen prokaryotischen Zellen etwa, wie man sie in 100 Gramm Boden finden könne, entstünden jeden Tag vier bis fünf neue Varianten pro Gen, rechnete Gabor vor. Diese würden bei der Metagenomanalyse nur meist übersehen, weil sie beispielsweise als Lesefehler bei der Sequenzierung interpretiert würden. Tatsächlich konnten Gabor und ihr Team, als sie 130 Sequenzen eines Gens aus einem Metagenom miteinander verglichen, 94 einzigartige Sequenzen auf DNA- und 51 einzigartige Sequenzen auf Protein-Ebene identifizieren.

Dr. Andriy Luzhetsky vom Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland setzt ebenfalls auf die natürliche Diversität. Genomsequenzierungen liessen darauf schließen, dass Actinobakterien, aus denen die meisten heute gebräuchlichen Antibiotika stammten, noch über zehnmal mehr Wirkstoffe verfügten, so Luzhetsky. Diese würden jedoch nicht oder nicht in ausreichender Menge produziert und seien deshalb bisher nicht identifiziert worden. Um dieses Potenzial zu erschließen, haben Luzhetsky und sein Team eine Bibliothek synthetischer Promotoren mit unterschiedlichster Stärke entwickelt, mit deren Hilfe er nun die bisher stillen Antibiotika-Gene aktivieren und identifizieren möchte.

Das von Synmikro und der Hessen Trade & Invest entwickelte Format einer eintägigen Tagung mit Schwerpunktthemen an der Schnittstelle zwischen Grundlagen- und angewandter Forschung findet großen Anklang. Es ist deshalb geplant, die Tagungsserie im nächsten Jahr mit Fokus auf das Thema „Biofuels“ fortzuführen.

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Einen Bericht der Oberhessischen Presse zu dieser Tagung lesen Sie hier.

Zum Beitrag im Marburger UniJournal, Sommer 2013 (Seite 5)