Forscher entwickeln Biosyntheseverfahren für die Gewinnung von Isopren

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Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und angewandte Ökologie IME

Gewinnung vieler Wirkstoffe für den täglichen Gebrauch ist nach wie vor umständlich

Die Isolation, Reinigung und Aufarbeitung heute gebräuchlicher Substanzen aus Pflanzen und Bakterien aus den natürlichen Ressourcen ist umständlich und teuer. Eine chemische Synthese wiederum ist deswegen schwierig oder gar unmöglich, weil alle diese Substanzen komplizierte Kohlenwasserstoff-Strukturen darstellen, deren exakter und schrittweiser Aufbau in der Retorte so gut wie unmöglich ist.

Die Gewinnung der Grundsubstanz Isopren aus Erdöl - ein heute immer noch geläufiges Verfahren - ist wiederum weder umweltfreundlich und noch nachhaltig. Stefan Jennewein vom Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie sowie Louwrance Wright und Jonathan Gershenzon vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie haben sich daher vorgenommen, den vor rund 15 Jahren entschlüsselten MEP-Stoffwechselweg, der zur Biosynthese der Isopren-Grundbausteine führt, derart zu studieren und zu modifizieren, dass die Herstellung der für den Menschen wichtigen Substanzen durch den Einsatz optimierter Bakterien erheblich erleichtert wird.

Die Max-Planck-Wissenschaftler widmen sich der Frage nach der Regulation des MEP-Stoffwechselweg am Beispiel der Chloroplasten aus der Modellpflanze Arabidopsis thaliana und Stefan Jennewein bearbeitet die mikrobiologisch-technische Seite: Er erzeugt transgene Bakterienstämme der Spezies Escherichia coli und Clostridium ljungdahlii, die nach Optimierung ihres MEP-Stoffwechselweges die Endprodukte produzieren sollen.

Optimierter MEP-Stoffwechsel: bessere Ausbeute, bessere Qualität

Erforscht werden in den kommenden drei Jahren - und dank einer Förderung von rund 1,6 Millionen Euro für beide Institute - die Regulation der Aktivität der sieben aufeinanderfolgenden enzymatischen Katalyseschritte, die jeweiligen Metabolitgehalte der Zwischenprodukte durch Verwendung von 13C Isotopen sowie die Bildung der Enzyme auf den Ebenen der Transkription und Translation ihrer jeweils kodierenden Gene.

Zum Einsatz kommen auch transgene Pflanzen und Bakterien, in denen ausgewählte Enzyme ausgeschaltet oder überexprimiert sind, um im Vergleich mit unveränderten Organismen die Schlüsselrolle bestimmter Biosyntheseschritte herauszufinden. Auch ein Einfügen alternativer oder zusätzlicher Gene in die beiden Bakterienarten Escherichia coli und Clostridium ljungdahlii ist geplant. In Großfermentern eingesetzt, sollen dann aus MEP-Stoffwechselweg-optimierten Mikroorganismen die gewünschten Produkte gewonnen werden.

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