Forschungsprojekte, die von der Max-Planck- und der Fraunhofer-Gesellschaft gemeinsam durchgef\u00fchrt werden, erhalten eine zus\u00e4tzliche finanzielle F\u00f6rderung und sto\u00dfen dadurch die T\u00fcr weit auf zu neuen Erkenntnissen in direkter Kombination mit industriellen Anwendungen. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts f\u00fcr Molekularbiologie und Angewandte \u00d6kologie, Aachen, und des Max-Planck-Instituts f\u00fcr chemische \u00d6kologie, Jena, werden sich in den kommenden drei Jahren der Optimierung des sogenannten MEP-Stoffwechselweges widmen. Mikroben und die Chloroplasten der Pflanzen bilden \u00fcber 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 gro\u00dfem technischem Aufwand m\u00f6glich. Das Ziel des Gemeinschaftsprojekts ist es daher, Bakterien mit einem verbesserten MEP-Biosyntheseweg einzusetzen, um die Biosynthese, Handhabung und Ausbeute MEP-abh\u00e4ngiger Naturstoffe grundlegend zu verbessern.<\/p>\n
Enge Verwandte: Chloroplasten und Prokaryonten<\/b>
Die entscheidende Hilfestellung f\u00fcr 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 Vorl\u00e4ufer 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 \u00c4hnlichkeit mit prokaryontischen Zellen.<\/p>\n
Wie Pflanzenwissenschaftler vor einigen Jahren herausgefunden haben, besitzen Chloroplasten – die Endosymbiontentheorie einmal mehr erh\u00e4rtend – einen Stoffwechselweg, der ebenfalls in Prokaryonten, z.B. Bakterien, vorkommt und der Herstellung zahlreicher sogenannter Sekund\u00e4rmetabolite dient: den Methylerythritol-4-Phosphat-Weg, kurz MEP-Stoffwechselweg. Aus Zwischenprodukten der Glykolyse erfolgt in mehreren Schritten die Synthese von aus je f\u00fcnf Kohlenstoffatomen bestehenden Molek\u00fcleinheiten, aus denen baukasten\u00e4hnlich beispielsweise Chlorophylle, Carotinoide, Terpene, Cytokinine, Sterole und viele andere biologische Substanzen gebildet werden. Auch die Produktion mancher Giftstoffe, die Pflanzen gegen Sch\u00e4dlinge einsetzen, basiert auf dem MEP-Stoffwechselweg.<\/p>\n
Vitamine und Aromen, Medikamente und Pflanzenschutzmittel: Die Gewinnung vieler Wirkstoffe f\u00fcr den t\u00e4glichen Gebrauch ist nach wie vor umst\u00e4ndlich.<\/b>
Die Entdeckung vieler heute gebr\u00e4uchlicher Substanzen in Pflanzen und Bakterien hat der Menschheit viel Gutes geleistet. Jedoch: Deren Isolation, Reinigung und Aufarbeitung aus den nat\u00fcrlichen Ressourcen ist umst\u00e4ndlich und teuer. Eine chemische Synthese wiederum ist deswegen schwierig oder gar unm\u00f6glich, weil alle diese Substanzen komplizierte Kohlenwasserstoff-Strukturen darstellen, deren exakter und schrittweiser Aufbau in der Retorte so gut wie unm\u00f6glich ist. Die Gewinnung der Grundsubstanz Isopren aus Erd\u00f6l – ein heute immer noch gel\u00e4ufiges Verfahren – ist wiederum weder umweltfreundlich und noch nachhaltig. <\/p>\n
Stefan Jennewein vom Fraunhofer-Institut f\u00fcr Molekularbiologie und Angewandte \u00d6kologie sowie Louwrance Wright und Jonathan Gershenzon vom Max-Planck-Institut f\u00fcr chemische \u00d6kologie haben sich daher vorgenommen, den vor rund 15 Jahren entschl\u00fcsselten MEP-Stoffwechselweg, der zur Biosynthese der Isopren-Grundbausteine f\u00fchrt, derart zu studieren und zu modifizieren, dass die Herstellung der f\u00fcr 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 Bakterienst\u00e4mme der Spezies Escherichia coli und Clostridium ljungdahlii, die nach Optimierung ihres MEP-Stoffwechselweges die Endprodukte produzieren sollen.<\/p>\n
Optimierter MEP-Stoffwechsel: bessere Ausbeute, bessere Qualit\u00e4t<\/b>
Erforscht werden in den kommenden drei Jahren – und dank einer F\u00f6rderung von rund 1,6 Millionen EUR f\u00fcr beide Institute – die Regulation der Aktivit\u00e4t 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 ausgew\u00e4hlte Enzyme ausgeschaltet oder \u00fcberexprimiert sind, um im Vergleich mit unver\u00e4nderten Organismen die Schl\u00fcsselrolle bestimmter Biosyntheseschritte herauszufinden. Auch ein Einf\u00fcgen alternativer oder zus\u00e4tzlicher Gene in die beiden Bakterienarten Escherichia coli und Clostridium ljungdahlii ist geplant. In Gro\u00dffermentern eingesetzt, sollen dann aus MEP-Stoffwechselweg-optimierten Mikroorganismen die gew\u00fcnschten Produkte gewonnen werden.<\/p>\n
F\u00fcr die chemische Industrie sind MEP-optimierte Bakterien auch im Zusammenhang mit der Verarbeitung sogenannten Syngases interessant. Syngas, eine Mischung aus Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff, f\u00e4llt beispielsweise in Kraftwerken und Stahlh\u00fctten an. MEP-optimierte Clostridium-Bakterien mit verbesserter Isopren-Synthase k\u00f6nnten diese drei Gase zu Isopren umsetzen, aus dem nachfolgend beispielsweise Isopren-Kautschuk gewonnen werden k\u00f6nnte. In vergleichbaren Prozessen k\u00f6nnten aus Syngas sogar Biokraftstoffe hergestellt werden. Ein solches, auf Bakterien beruhendes Verfahren ist der herk\u00f6mmlichen Fischer-Tropsch-Synthese \u00fcberlegen, da Syngas ungereinigt in Fermentern eingesetzt werden kann. Dem auf Metallkatalyse basierenden Fischer-Tropsch-Verfahren hingegen muss hochgereinigtes Syngas zugef\u00fchrt werden. Zudem ist es sehr energieaufw\u00e4ndig.<\/p>\n
Medikamente gegen Malaria und Tuberkulose<\/b>
Die Erforschung der entscheidenden Regulationsschritte des MEP-Stoffwechselweges kann auch zur Entwicklung und Produktion neuer Pharmazeutika f\u00fcr den Menschen beitragen, beispielsweise gegen Krebs oder Malaria. Die Wirkstoffe Taxol beziehungsweise Artemisinin k\u00f6nnten durch Bakterien mit modifiziertem MEP-Stoffwechsel in Fermentern erzeugt und gewonnen werden. [JWK]<\/p>\n
Kontakte<\/b> Dr. Stefan Jennewein \/ Fraunhofer Institut f\u00fcr Molekularbiologie und Angewandte \u00d6kologie
Prof. Dr. Jonathan Gershenzon \/ MPI chemische \u00d6kologie
Tel.: +49 3641 57 1301
E-Mail: gershenzon@ice.mpg.de<\/a><\/p>\n
Tel.: +49 241 6085 12120
E-Mail: stefan.jennewein@ime.fraunhofer.de<\/a><\/p>\n