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27.02.2013

Multi-Enzym-Katalyse mit löchrigen Zellen

Die Produktion von komplexen Naturstoffen in biologischen Zellen ist eigentlich nichts Neues. Die Idee, für die Synthese der Naturstoffe  Zellen mit löchriger Membranhülle  zu nutzen hingegen schon. Sie steht im Zentrum des explorativen Projekts „MECAT – Multi-Enzym-Katalyse mit permeabilisierten Zellen“. Mit demTrick könnte die Produktion bisher biotechnologisch nicht herstellbarer komplexer Moleküle gelingen, ist das Team um Elmar Heinzle vom Institut für Technische Biochemie der Universität des Saarlandes überzeugt. Sie wollen das Verfahren nun für den Einsatz im Labor fitmachen.

Aus Acetat und ATP entsteht Flaviolin
In drei Biokatalyseschritten entsteht aus Acetat und ATP der komplexe Naturstoff Falviolin.
Quelle: 
Elmar Heinzle

Um die für eine Multienzym-Biokatalyse richtigen Bausteine miteinander zu verbinden, entwickeln die Forscher neue bioinformatische Methoden. Rechnergestützt sollen die entsprechenden biologischen Netzwerke geplant werden. Gerade in vollständigen Zellen gilt es aber noch ein anderes Problem zu lösen: Viele Stoffwechselprodukte werden nicht in der Zelle nicht nur zu dem jeweils gewünschten Molekül umgesetzt, sondern reagieren auch zu unerwünschten Nebenprodukten. Diese Nebenreaktionen systematisch zu erfassen und gezielt auszuschalten ist eine der großen Herausforderungen dieses Projekts. Lösungsstrategien für das Problem gibt es: Im Idealfall lässt sich ein unerwünschter Stoffwechselweg blockieren, indem die Erbinformation für ein wichtiges Enzym gezielt aus dem Erbgut gelöscht wird. In anderen Fällen gibt es Chemikalien, die spezifisch eine bestimmte Nebenreaktion hemmen, den gewünschten Stoffwechselprozess aber nicht beeinflussen. Eine Datenbank in der solche Informationen gesammelt werden, soll helfen, Zellsysteme zu entwickeln, mit denen sich Synthesebausteine wie zum Beispiel Acetyl-CoA, beziehungsweise Cosubstrate wie ATP oder NADPH in permeabilisierten Zellen herstellen lassen. Das Ziel: Die Synthese komplexer, niedermolekularer Verbindungen mit gentechnisch optimierten, permeabilisierten Zellen.

Gelingt das Vorhaben, könnte die Multi-Enzym-Katalyse mit permeabilisierten Zellen sich zu einer echten Plattformtechnologie entwickeln. Mit ihr ließen sich nicht nur komplexe Naturstoffe wie die sogenannten Sekundärmetabolite herstellen. Werden die Zellen mittels Gentechnik verändert, wäre auch die Produktion bisher unbekannter niedermolekularer Verbindungen mit neuen Eigenschaften denkbar. (bk)

 
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