Bakterien für ihren Einsatz in der biotechnologischen Produktion zu trimmen, ist ein kniffliges Unterfangen. Mal produzieren die Mikroben ein gewünschtes Enzym, ein anderes Mal wiederum nicht. Der Grund für dieses oft widerspenstige Verhalten bleibt dem Forscher oft verborgen. In dem Verbundprojekt P27 des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützten Clusters Biokatalyse 2021 wollen Forscher das Produktionsverhalten eines wirtschaftlich sehr interessanten Bakteriums optimieren: Es handelt sich um Bacillus subtilis, den Heubazillus. Die Bakterien sollen für die Produktion von Proteinen und Enzymen fit gemacht werden, die sowohl von der Lebensmittel- als auch von der pharmazeutischen Industrie geschätzt werden.
Die Forscher im Cluster Biokatalyse 2021, einem von vier Netzwerken der BMBF-Förderinitiative BioIndustrie 2021, beschäftigen sich mit Projekten der industriellen Biotechnologie. Dazu gehört auch das Projekt mit der Nummer P27 mit dem Titel: „Neue Bacillus Expressionssysteme“. Das BMBF fördert das Vorhaben mit insgesamt 760.000 Euro über die Dauer von drei Jahren.
BioIndustrie2021
Die molekularbiologische Zähmung des Heubakteriums
Eine große Hürde bei der Herstellung von Enzymen und Proteinen ist nach wie vor die Bereitstellung von geeigneten Expressionssystemen wie Bakterien oder Hefen. Nur die besten Produktionsstämme sind in der Lage, Aminosäure-Ketten fehlerfrei herzustellen, sie zur richtigen dreidimensionalen Struktur zu falten und das Wunschprotein in großem Maßstab zu produzieren.
„Unser Konsortium möchte das gut charakterisierte Wildtyp-Bakterium Bacillus subtilis 6051a zum modernen Produktionsstamm umwandeln. Dafür wollen wir unnötigen, genetischen Ballast des Bakteriums über Bord werfen – er hindert das Bakterium nur daran, seine Arbeit effizient auszuführen“, erklärt Lutz Popper, Koordinator des P27-Projektes und Leiter der Forschung und Entwicklung der SternEnzym GmbH & Co. KG. Vom Heubakterium existieren bereits gute Produktionsstämme, doch die sind im Besitz von großen Firmen und Konzernen. Und die frei zugänglichen Laborstämme haben den Nachteil, dass sie sich nicht für eine Produktion im Großmaßstab eignen. Das soll sich nun ändern – durch die Arbeiten des P27-Konsortiums: Die Ernst-Moritz-Arndt-Universität aus Greifswald ist für den molekularbiologischen Part verantwortlich. Die international tätige Miltenyi Biotech GmbH aus Teterow stellt die Expressionssysteme bereit und kümmert sich um die Fermentationstechnologie. Der dritte im Bunde ist die Stern-Enzym GmbH. Deren Wissenschaftler testen die hergestellten Enzyme auf Funktionalität für den Bereich Lebensmittelherstellung.
High-Throughput-Screening
Die Hürden und Erfolge wissenschaftlicher Arbeit
Für die genetische Optimierung sind zwei Forscher aus dem Team von Thomas Schweder, Professor für Pharmazeutische Biotechnologie an der Greifswalder Universität, verantwortlich. Sie entfernten alle unnötigen genetische Sequenzen aus dem Heubazillus und formten eine Art Minimalbakterium, dass nur noch eines machen soll: Wunsch-Enzyme für die industrielle Nutzung zu synthetisieren. Nicht einmal mehr fortbewegen kann sich dieser Mikroorganismus. Das hat man ihm abgewöhnt, es kostet zu viel unnötige Energie und ist für die Produktion von Proteinen nicht nötig. „Ganz so einfach, wie es klingt, war die Entfernung von genetischem Material natürlich nicht,“ erinnert sich der Koordinator. „Doch nach einigen Rückschlägen konnten wir endlich die Machbarkeit unseres Konzeptes beweisen.“ Das optimierte Design des Produktionsstamms konnte bereits verschiedenen Proteinen wie beispielweise eine Xylanase und eine Amylase erfolgreich produzieren. Das Konsortium hat sich zum Ziel gesteckt, ein Upscaling der Proteinproduktion zu erreichen. „Momentan arbeiten wir in kleineren Fermentern bis zehn Liter, doch hier soll bis Ende des Jahres die Produktion in größerem Maßstab stattfinden,“ so der 52-jährige Lebensmitteltechnologe Popper.
Etwas zu knabbern haben sie Wissenschaftler nur noch mit der Produktion eines aus der Bierhefe stammenden Enzyms namens Sulfhydryl-Oxidase. „Die Hefe ist unendlich faul, wenn es um die Produktion dieses Enzyms geht,“ verrät Popper. Weil es aufgrund der Abwesenheit unerwünschter Stoffwechselprodukte als sehr sicherer Produktionsorganismus bekannt ist, schien das P27-Heubazillus optimal geeignet, doch leider verhält es sich auch in diesem System etwas stur: Das Protein wurde zwar hergestellt, doch es ist nicht aktiv. Mögliche Ursachen werden gerade erforscht, doch Lutz Popper ist zuversichtlich. Auch dieses Problem wird das P27 Team in den Griff bekommen.
Der lange und steinige Weg zur wirtschaftlichen Nutzung
Es ist den P27 Projektpartnern gelungen, eine Mikrobe zu designen, die stabil ist, Ausgangsprodukte gleichmäßig in den gewünschten Stoff umwandelt und dabei auch recht sparsam mit ihren Energiereserven umgeht: Die kommerzielle Nutzung einiger der synthetisierten Proteine wird von den Projektpartnern Stern-Enzym GmbH und Miltenyi angestrebt, auch eine Patentierung ist angedacht. Weiterhin ist geplant, diesen optimierten Stamm für die Herstellung von weiteren Enzymen aller möglichen Couleur zu nutzen.
Autorin: Andrea van Bergen
