{"id":45054,"date":"2017-08-11T06:42:30","date_gmt":"2017-08-11T04:42:30","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=http%3A%2F%2Fwww.innovations-report.de%2Fhtml%2Fberichte%2Fbiowissenschaften-chemie%2Fcomputer-berechnen-umgestaltung-von-mikroorganismen-zu-zellfabriken.html"},"modified":"2017-08-09T15:49:24","modified_gmt":"2017-08-09T13:49:24","slug":"max-planck-institut-fuer-dynamik-komplexer-technischer-systeme-magdeburg","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/max-planck-institut-fuer-dynamik-komplexer-technischer-systeme-magdeburg\/","title":{"rendered":"Max-Planck-Institut f\u00fcr Dynamik komplexer technischer Systeme Magdeburg"},"content":{"rendered":"

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut f\u00fcr Dynamik komplexer technischer Systeme Magdeburg haben mit Hilfe neu entwickelter Computeralgorithmen f\u00fcnf der wichtigsten biotechnologischen Produktionsorganismen wie Escherichia coli und B\u00e4ckerhefe daraufhin analysiert, wie sich das Wachstum der Zellen optimal mit der \u00dcberproduktion von (Bio-)Chemikalien koppeln l\u00e4sst. In ihren Berechnungen zeigten sie, dass f\u00fcr fast jedes Stoffwechselprodukt in den untersuchten Organismen geeignete genetische Interventionen existieren, mit denen eine Kopplung der Synthese des Produkts mit Zellwachstum m\u00f6glich ist. Die Ergebnisse der Studie tragen grundlegend zur Entwicklung von neuen biotechnologischen Prozessen bei.<\/strong><\/p>\n

\"Dr.
Dr. Oliver H\u00e4dicke aus der Arbeitsgruppe Analyse und Redesign biologischer Netzwerke untersucht ein bakterielles Stoffwechselnetzwerk am Computer. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Dynamik komplexer technischer Systeme Magdeburg haben zu diesem Zweck die Software CellNetAnalyzer entwickelt.
\u00a9 Max-Planck-Institut Magdeburg<\/figcaption><\/figure>Mikroorganismen k\u00f6nnen ein breites Spektrum an Chemikalien und Biokraftstoffen synthetisieren und werden in einer st\u00e4rker biobasierten Industrie weiter an Bedeutung gewinnen. Oftmals produzieren die Zellen die gew\u00fcnschten Substanzen aber nicht von allein oder nicht effizient genug und m\u00fcssen daher durch geeignete genetische Eingriffe im Stoffwechsel zu Hochleistungsproduzenten umfunktioniert werden.<\/p>\n

Der Stoffwechsel (Metabolismus) selbst eines recht einfachen Mikroorganismus ist hochgradig komplex und umfasst in der Regel Hunderte oder gar Tausende Metabolite (wie Zucker oder organische S\u00e4uren) und biochemische Reaktionen. Um im Labyrinth der sich daraus ergebenden Stoffwechselnetzwerke nicht den \u00dcberblick zu verlieren, verwenden Wissenschaftler neben Laborexperimenten verst\u00e4rkt mathematische Modelle und Computersimulationen. Diese helfen unter anderem bei der Suche nach Kombinationen von genetischen Eingriffen, die eine normale Zelle in eine biochemische Fabrik zur Synthese eines gew\u00fcnschten Produktes umwandeln.<\/p>\n

Im Idealfall l\u00e4sst sich dabei das Wachstum der Zelle obligatorisch mit der Synthese des Produkts koppeln. Die Zelle kann sich dann n\u00e4mlich nur noch vermehren, wenn die gew\u00fcnschte Chemikalie als Nebenprodukt entsteht. Eine solche Kopplung l\u00e4uft zum Beispiel in nat\u00fcrlicher Art und Weise ab, wenn Hefen unter Sauerstoffausschluss das G\u00e4rprodukt Alkohol produzieren (m\u00fcssen). Da Mikroorganismen gew\u00f6hnlich immer nach maximalem Wachstum streben, vereinen die Ingenieure dadurch geschickt ihre Interessen mit denen des Lebewesens. F\u00fcr bestimmte Produkte wurde in konkreten Beispielen gezeigt, dass eine solche Kopplung erzwungen werden kann. Bisher war aber unklar, inwieweit sich dieses Prinzip auf ein breites Spektrum von anderen Produktklassen und f\u00fcr verschiedene Mikroorganismen verallgemeinern und anwenden l\u00e4sst.<\/p>\n

Wachstumsgekoppelte \u00dcberproduktion ist fast universell m\u00f6glich<\/h3>\n
\"

Mikroskopaufnahme von Escherichia coli
\u00a9 Mit freundlicher Genehmigung: J\u00fcrgen Berger \/ MPI f\u00fcr Entwicklungsbiologie<\/figcaption><\/figure>\n

Dieser Frage sind nun Wissenschaftler der Arbeitsgruppe \u201eAnalyse und Redesign biologischer Netzwerke\u201c am Max-Planck-Institut in Magdeburg unter der Leitung von Dr. Steffen Klamt auf den Grund gegangen. Die Forscher untersuchten f\u00fcr f\u00fcnf der wichtigsten biotechnologischen Produktionsorganismen (einschlie\u00dflich der h\u00e4ufig verwendeten Arbeitspferde Escherichia coli und B\u00e4ckerhefe, aber auch andere wie zum Beispiel photosynthetische Bakterien), f\u00fcr welche Metabolite eine mit Wachstum gekoppelte Synthese m\u00f6glich ist. F\u00fcr diese aufw\u00e4ndigen Berechnungen entwickelten sie zun\u00e4chst effiziente Algorithmen. Als zentrales und zugleich \u00fcberraschendes Ergebnis zeigten sie damit schlie\u00dflich, dass sich f\u00fcr fast jeden Metaboliten (>94%) in den f\u00fcnf Modellorganismen eine Interventionsstrategie finden l\u00e4sst, die Wachstum an eine \u00dcberproduktion des Metaboliten mit einer guten Ausbeute erzwingt. Die f\u00fcnf Organismen decken ein breites Spektrum von relevanten Produkten f\u00fcr die chemische Industrie ab (wie zum Beispiel Biokraftstoffe, Biopolymere, Nahrungserg\u00e4nzungsmittel oder Plattformchemikalien zur Synthese anderer Substanzen). Somit sind diese Ergebnisse, die in der Zeitschrift Nature Communications ver\u00f6ffentlicht wurden, von weitreichender Bedeutung f\u00fcr die Entwicklung neuer biotechnologischer Prozesse.<\/p>\n

Unter Anwendung der oben beschriebene Kopplungsstrategie hatte die Gruppe j\u00fcngst in einer Parallelstudie einen Stamm des Bakteriums Escherichia coli mittels computergest\u00fctzter Berechnungen erfolgreich so ver\u00e4ndert, dass dieser Itacons\u00e4ure, eine wichtige Plattformchemikalie, mit bisher unerreichter Ausbeute aus Traubenzucker produziert. Dieses konkrete Anwendungsbeispiel hat das Potenzial der Kopplungsstrategie nochmals nachhaltig demonstriert.<\/p>\n

F\u00fcr weitere Forschungen zur computergest\u00fctzten Optimierung des Stoffwechsels von Mikroorganismen wird die Gruppe um Steffen Klamt in den n\u00e4chsten f\u00fcnf Jahren mit zwei Millionen Euro durch den Europ\u00e4ischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) gef\u00f6rdert.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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