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27.03.2013

Das Enzymchanneling verstehen

Für die Produktion von komplexen Naturstoffen werden heutzutage häufig lebende Zellen genutzt. Das ist meist günstiger als aufwendige, rein chemische Synthesen, stößt aber auch immer wieder an Grenzen: Die Zellen müssen kontinuierlich mit Luft und Nährstoffen versorgt werden, es geht Energie für die Bildung von Biomasse und den Erhaltungsstoffwechsel verloren und die zu produzierenden Naturstoffe dürfen für die Zelle selbst nicht giftig sein. Viel einfacher wäre es, statt lebender Zellen nur ein zellfreies System aus Multienzymkomplexen mit mehreren hintereinander geschalteten Enzymen zu nutzen.

Schale und Pipette
Zellkulturen für die Produktion von Naturstoffen könnten bald durch zellfreie Systeme aus Multienzymkomplexen ersetzt werden.
Quelle: 
SL

Daran arbeitet die Nachwuchsgruppe von Uwe Jandt am Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik der Technischen Universität Hamburg Harburg (TUHH) im Rahmen des Projekts „Multiskalige Modellierung und Modifikation von Multienzymkomplexen als Basistechnologie für zellfreie Reaktionskaskaden“. 

Mit einem eleganten Kunstgriff, abgeschaut aus der Natur, könnte die Effizienz der aus mehreren Enzymen zusammengesetzten Reaktionskaskaden erhöht werden. Beim sogenannten metabolischen Channeling wird das Reaktionsprodukt direkt von einem Enzym zum anderen weitergereicht, ohne vorher in das umgebende Medium freigesetzt zu werden. Jandt untersucht die Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion von Proteinkomplexen am Beispiel des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes. „Ein besseres Verständnis des Channelings könnte uns helfen, effiziente zellfreie Reaktionssysteme von Grund auf neu aufzubauen oder aus modifizierten biologischen Multienzymkomplexen zusammenzusetzen“, ist der Ingenieur überzeugt. So ließen sich bei der Produktion bisher auftretende Schwachpunkte, wie etwa Intermediat-Diffusion und Feedback-Inhibierung vermeiden.

Eine Besonderheit des Projekts an der TUHH ist die enge Verzahnung von Simulationen am Computer und Arbeiten im Labor. Auf mehreren Ebenen werden am Computer die Vorgänge simuliert, die beim Channeling auftreten: Von der Nanostruktur auf Molekülebene, über die Mesostruktur in Mikrokompartimenten bis hin zur Makroskala, das heißt zum Gesamtprozess und dessen Optimierung. Im Labor wird anschließend überprüft, wie präzise die Vorhersagen mit den tatsächlichen Abläufen im Experiment übereinstimmen. Für die Forschung sind diese Ergebnisse besonders wertvoll. Werden die beim Channelling auftretenden Effekte eines Tages detailliert verstanden, so könnten die Wissenschaftler gezielt für jede einzelne Anwendung eine optimale Nanomaschine konstruieren.

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