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Algorithmengestützt: Mikroben werden zu Material-Fabriken umgebaut

Am Max-Planck-Institut für die Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg berechnen Computeralgorithmen, wie sich das Zellwachstum biotechnologischer Produktionsorganismen wie Escherichia coli und Bäckerhefe mit der Überproduktion von (Bio-)Chemikalien koppeln lässt.

Stoffwechselnetz Bildquelle: © Max-Planck-Institut Magdeburg

Dr. Oliver Hädicke untersucht ein bakterielles Stoffwechselnetz mit der Software CellNetAnalyzer, entwickelt von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Dynamik komplexer technischer Systeme.

Schon heute produzieren Mikroorganismen ein großes Spektrum an Chemikalien und Biokraftstoffen. Mit der Effizienz dieser Prozesse hapert es allerdings noch vielfach. Denn sogar die Stoffwechsel von Mikroorganismen sind bereits hochkomplex, umfassen Hunderte oder Tausende Metabolite und chemische Reaktionen. Mathematische Modelle und Computersimulationen werden eingesetzt, um in dem Labyrinth der Stoffwechselprozesse nicht den Überblick zu verlieren.

Unter Sauerstoffabschluss produzieren Hefen ganz natürlich Alkohol, ihr Metabolismus funktioniert nur bei Alkohol-Produktion. Diesen Kopplungs-Vorgang des Zellwachstums mit der Produktion eines Nebenproduktes versuchen die Forscher für weitere Stoffe genetisch zu adaptieren. Bislang war unklar, bei welchen Mikroorganismen und für welche Stoffe dies möglich ist.

Diese Frage haben Wissenschaftler der Arbeitsgruppe »Analyse und Redesign biologischer Netzwerke« am Max-Planck-Institut in Magdeburg unter der Leitung von Dr. Steffen Klamt untersucht. Sie untersuchten für fünf der wichtigsten biotechnologischen Produktionsorganismen, einschließlich der häufig verwendeten Arbeitspferde Escherichia coli und Bäckerhefe, aber auch andere wie zum Beispiel photosynthetische Bakterien, für welche Metabolite eine mit Wachstum gekoppelte Stoffsynthese möglich ist.

Für diese aufwändigen Berechnungen entwickelten sie zunächst Algorithmen. Als zentrales Ergebnis zeigten sie, dass sich für fast jeden Metaboliten (>94%) in den fünf Modellorganismen eine genetische Interventionsstrategie finden lässt, die Wachstum an eine Überproduktion des Metaboliten mit einer guten Ausbeute erzwingt.

Die fünf Organismen decken ein breites Spektrum von relevanten Produkten für die chemische Industrie ab, wie zum Beispiel Biokraftstoffe, Biopolymere, Nahrungsergänzungsmittel oder Plattformchemikalien zur Synthese anderer Substanzen. Damit haben die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse möglicherweise weitreichende Bedeutung für die Entwicklung neuer biotechnologischer Prozesse.

Unter Anwendung der oben beschriebene Kopplungsstrategie hatte die Gruppe jüngst in einer Parallelstudie einen Stamm des Bakteriums Escherichia coli mittels computergestützter Berechnungen so verändert, dass dieser Itaconsäure, eine wichtige Plattformchemikalie, mit bisher unerreichter Ausbeute aus Traubenzucker produziert.

Für weitere Forschungen zur computergestützten Optimierung des Stoffwechsels von Mikroorganismen wird die Gruppe um Steffen Klamt in den nächsten fünf Jahren mit zwei Millionen Euro durch den Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) gefördert.