{"id":35372,"date":"2016-06-15T07:20:06","date_gmt":"2016-06-15T05:20:06","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=http%3A%2F%2Fwww.innovations-report.de%2Fhtml%2Fberichte%2Fbiowissenschaften-chemie%2Fsynthetische-biotechnologie-ermoeglicht-nachhaltige-produktion-bioaktiver-naturstoffe.html"},"modified":"2016-06-13T11:57:34","modified_gmt":"2016-06-13T09:57:34","slug":"synthetische-biotechnologie-ermoeglicht-nachhaltige-produktion-bioaktiver-naturstoffe","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/synthetische-biotechnologie-ermoeglicht-nachhaltige-produktion-bioaktiver-naturstoffe\/","title":{"rendered":"Synthetische Biotechnologie erm\u00f6glicht nachhaltige Produktion bioaktiver Naturstoffe"},"content":{"rendered":"

Die Natur stellt eine Vielzahl f\u00fcr den Menschen wertvoller Wirkstoffe bereit, die Palette reicht von Vitaminen \u00fcber lebensnotwendige Fetts\u00e4uren 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 Universit\u00e4t M\u00fcnchen (TUM): Mit Methoden der Synthetischen Biotechnologie stellen sie Omega-3-Fetts\u00e4uren nachhaltig her und haben eine Strategie entwickelt, mit der sie nicht nur nat\u00fcrliche, sondern sogar ganz neuartige Arzneistoffe synthetisieren k\u00f6nnen.<\/strong><\/p>\n

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Taxadien Synthase mit dem Substrat Geranylgeranyldiphosphat in der aktiven Tasche des Enzymes. Die gr\u00fcnen Punkte zeigen die katalytisch relevanten Mg2+-Ionen, die an der inititialen Hydrolyse des Phosphatrestes beteiligt sind. Bild: Max Hirte \/ TUM – Zoom –<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

In der Natur gibt es viele wertvolle Arznei- und N\u00e4hrstoffe. Diese sind jedoch oft entweder schwer zug\u00e4nglich oder ihre industrielle Gewinnung schadet den Tier- und Pflanzenpopulationen, in denen sie vorkommen. So enth\u00e4lt beispielsweise die Rinde der pazifischen Eibe (Taxus brevifolia<\/em>) den Wirkstoff Taxol, der als Medikament gegen Brust-, Eierstock- und Lungenkrebs eingesetzt wird. Jedoch ist die Eibenart nicht weit verbreitet und gesch\u00fctzt.<\/p>\n

Auch die lebensnotwendigen Omega-3-Fetts\u00e4uren, beispielsweise ein Bestandteil von S\u00e4uglingsnahrungen, werden derzeit vor allem aus Fischen und Krebstieren hergestellt \u2013 eine zus\u00e4tzliche Belastung f\u00fcr die ohnehin schon stark beanspruchten marinen \u00d6kosysteme.<\/p>\n

Ziel der Arbeitsgruppe um Thomas Br\u00fcck, Professor f\u00fcr Industrielle Biokatalyse an der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen, ist es daher, mit Hilfe von Methoden der Biochemie, Bioinformatik und Biotechnologie chemische Wertstoffe nachhaltig und doch in industriellen Mengen zu gewinnen.<\/p>\n

\u201eGold\u201c aus Stroh \u2013 eine Hefe mit hohem Potential<\/h3>\n

Nun ist es Br\u00fcck und seinem Team gelungen, die bislang nicht biotechnologisch genutzte Hefe Trichosporon oleaginosus genetisch so zu ver\u00e4ndern, dass sie die essentiellen Omega-3-Fetts\u00e4uren Alpha-Linolens\u00e4ure (ALA), Eicosapentaens\u00e4ure (EPA) sowie entz\u00fcndungshemmend wirkende konjugierte Linolens\u00e4uren (CLAs) herstellt.<\/p>\n

Als Energiequelle kann die Hefe dabei N\u00e4hrmedien auf Basis von fast allen in der Agrarwirtschaft anfallenden Abf\u00e4llen wie Stroh, Holzsp\u00e4ne, Weizenkleie und sogar bisher ungenutzte marine Reststoffe wie Krabbenschalen verwerten. \u201eDiese Hefe ist etwas Besonderes, da sie auch monomere Zuckerstoffe verwerten kann, die sonst nur sehr schwer abgebaut werden k\u00f6nnen\u201c, erkl\u00e4rt Br\u00fcck. \u201eWir gewinnen also aus Abf\u00e4llen hochwertige chemische Stoffe, und das ohne die Umwelt zu belasten.\u201c<\/p>\n

Geraten Trichosporon oleaginosus-Zellen in der Natur unter Stress, beispielsweise durch Mangel an Stickstoff oder Phosphat, lagern sie Fette als Energiereserve ein. Zwar w\u00e4chst die Hefe dann nicht mehr optimal, doch kann das in Form von Trigylceriden einlagerte Fett bis zu 70 Prozent ihres Trockengewichts erreichen.<\/p>\n

In zuk\u00fcnftigen Projekten wollen die Wissenschaftler um Br\u00fcck die \u00f6lbildende Hefe daher so weiter modifizieren, dass sie auch unter normalen N\u00e4hrstoffbedingungen die gew\u00fcnschten Fette in ausreichendem Ma\u00df herstellt, ohne das Ihr Wachstum gehemmt wird.<\/p>\n

Von der Simulation zum ma\u00dfgeschneiderten Enzym<\/h3>\n

Einen Schritt weiter geht eine Methodik, die die Wissenschaftler um Br\u00fcck k\u00fcrzlich in der renommierten Fachzeitschrift \u201eProceedings of the National Academy of Sciences\u201c (PNAS) vorstellten: Mit Hilfe molekularmechanischer Computersimulationen konnten sie die einzelnen Schritte aufkl\u00e4ren, mit denen eine bestimmte Klasse von Enzymen Wirkstoffe herstellt. Zu diesen geh\u00f6ren auch Vorstufen des Krebsmedikaments Taxol.<\/p>\n

Allein durch Simulationen am Computer gelang es Br\u00fcck und seinem Team erstmals, s\u00e4mtliche Zwischenschritte der an diesem Enzym ablaufenden komplexen Kaskade von Reaktionen korrekt vorherzusagen. Auf diese Weise konnten sie aufkl\u00e4ren, wie das Enzym genau arbeitet und wie dessen Struktur und Funktion zusammenh\u00e4ngen. Mit klassischen biochemischen Methoden war dies zuvor nicht m\u00f6glich gewesen.<\/p>\n

\u201eDieses Vorgehen ist sehr vielversprechend, denn auf Basis der Simulationen k\u00f6nnen wir Enzyme gezielt ver\u00e4ndern und die daraufhin entstehenden Produkte vorhersagen\u201c, sagt Br\u00fcck. \u201eWenn wir dann noch verschiedene solcher Enzyme miteinander verschalten, ist es sogar m\u00f6glich, komplett neue Molek\u00fcle zu schaffen, die in der Natur gar nicht vorkommen.\u201c<\/p>\n

Durch Verschalten einer Diterpensynthase mit einem Hydroxylase\/Reduktase-Enzymkomplex in einem Escherichia coli<\/em>-basierten Produktionsystem entwickelten die Wissenschaftlern eine effiziente Synthese des trihydroxylierten Diterpens Cyclooctatin, einem potenten Entz\u00fcngungshemmer.<\/p>\n

Am Computer identifizierten sie eine f\u00fcr Diterpenmakrozyklen spezifische Reduktase im erst k\u00fcrzlich erst k\u00fcrzlich beschriebenen Genom des Bakteriums Streptomyces afghaniensis. Die biotechnologische Nutzung dieses Proteins erm\u00f6glichte es den Wissenschaftlern, die Ausbeute des Wirkstoffes im Vergleich zum nativen Produzenten um einen Faktor 43 zu erh\u00f6hen.<\/p>\n

In Zukunft k\u00f6nnten Biotechnologen einmal \u00e4hnlich wie Ingenieure vorgehen, die am Computer die Produktionsschritte f\u00fcr ein neues Auto entwerfen. Mit dem Wissen der Synthetischen Biotechnologie k\u00f6nnten sie dann den Syntheseweg zu einem neuen Wirkstoff aus einer Kette von Reaktionen modifizierter Enzyme zusammenstellen. Das lange und sehr aufw\u00e4ndige \u201eAust\u00fcfteln\u201c neuer Synthesewege im Labor, wie es heute notwendig ist, w\u00fcrde damit erheblich verk\u00fcrzt.<\/p>\n

Die aktuellen Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe Br\u00fcck werden mit Mitteln der Europ\u00e4ischen Gemeinschaft (Projekt ChiBio), der Bundesministerien f\u00fcr Bildung und Forschung (Advanced Biomass Value, SysBioTerp, OMCBP) und f\u00fcr Wirtschaft (Projekt Bio@Jet) sowie der bayrischen Ministerien f\u00fcr Wissenschaft (Algenflugkraft), Wirtschaft (Algenflugkraft, Nachhaltige Produktion von Bioinsektiziden) und Umwelt (Geobiotechnologie und PHB) gef\u00f6rdert.<\/p>\n

Aufgrund des enormen Potenzials dieser Methoden hat die Technische Universit\u00e4t M\u00fcnchen Anfang Mai den Lehr- und Forschungsschwerpunkt Synthetische Biotechnologie ins Leben gerufen. Die Werner Siemens-Stiftung unterst\u00fctzt die Einrichtung des Schwerpunkts mit 11,5 Millionen Euro.<\/p>\n

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Publikationen:<\/h3>\n

P. Schrepfer, A. Buettner, C. Goerner, M. Hertel, J. van Rijn, F. Wallrapp, W. Eisenreich, V. Sieber, R. Kourist, T. Br\u00fcck; Identification of amino acid networks governing catalysis in the closed complex of class I terpene synthases; PNAS, 2016, 113(8), E958-E967 \u2013 DOI: 10.1073\/pnas.1519680113<\/a><\/p>\n

G\u00f6rner, C., Redai, V., Bracharz, F., Schrepfer, P., Garbe, D., & Br\u00fcck, 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\u20132046 \u2013 DOI: 10.1039\/c5gc01767j<\/a><\/p>\n

Christian G\u00f6rner, Patrick Schnepfer, Veronika Redai, Frank Wallrapp, Bernhard Loll, Wolfgang Eisenreich, Martin Haslbeck und Thomas Br\u00fcck; Identification, characterization and molecular adaptation of class I redox systems for the production of hydroxylated diterpenoids; Micobial Cell Factories (2016) 15:86 \u2013 DOI: 10.1186\/s12934-016-0487-6<\/a><\/p>\n

 <\/p>\n

Kontakt:<\/h3>\n

Prof. Dr. Thomas Br\u00fcck
\nTechnische Universit\u00e4t M\u00fcnchen
\nProfessur f\u00fcr Industrielle Biokatalyse
\nLichtenbergstr. 4,
\n85748 Garching, Germany
\nTel.: +49 89 289 13253
\nE-Mail: brueck@tum.de<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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