Erforschung des MEP-Signalwegs demonstriert neue Methode zur Erzeugung von Isoprenoiden
Isoprenoide sind in einer breiten Palette von Natur- und Industrieprodukten fast überall wesentlicher Bestandteil, u. a. in Pharmazeutika, Duftstoffen und Biokraftstoffen. Doch obwohl sie so omnipräsent sind, ist die Extraktion der vor allem in Pflanzen vorkommenden Isoprenoide schwierig. Die Gewinnung verwertbarer Isoprenoide ist nur durch teure und umweltschädliche chemische Synthese möglich, was nun jedoch durch das EU-finanzierte Projekt BioHelp einfacher werden könnte. Das im Jahr 2014 begonnene Projekt BioHelp baute auf dem MEP-Signalweg auf – einem komplexen Stoffwechselweg, mit dem seit Anfang der 90er Jahre die universellen Bausteine zur Erzeugung aller Isoprenoide hergestellt werden. Das Projekt forschte an den Prozessen, die alle Phasen dieses Signalwegs in Bakterien regulieren, um letztlich Bioraffinerien für die industrielle Herstellung von Isoprenoiden zu konzipieren. „Vor BioHelp basierten die meisten Forschungen auf In-vitro-Studien, oder die Tests erfolgten isoliert vom Kontext des Signalwegs und/oder der Zelle in ihrer Gesamtheit. Zum ersten Mal wurde der MEP-Signalweg aus einer breiteren Perspektive untersucht, um kinetische Parameter des gesamten Signalwegs in vivo zu erhalten“, sagt Dr. Jordi Perez-Gil. An dem Projekt waren zwei Einrichtungen beteiligt: das spanische Zentrum für landwirtschaftliche Genomforschung (CRAG) und die australische Universität Queensland. Koordiniert wurde es von Dr. Manuel Rodriguez-Concepcion, Forscher am CRAG. Die Forschergruppen ergänzten die Erzeugung mehrerer Bakterienstämme (etwa mit modifizierten Versionen des MEP-Signalwegs) mit hochmodernen Analysetechniken. Nach der Charakterisierung sollten die aussagefähigen Daten in die Entwicklung eines innovativen, anpassungsfähigen computergestützten Modellansatzes einfließen. „Die meisten Ergebnisse sind noch nicht veröffentlicht, aber vor allem für die ersten fünf Abschnitte des MEP-Signalwegs konnten wir schon ein Modell erstellen. So identifizierten wir neue spezifische Kontrollmechanismen für diesen Signalweg, charakterisierten neue und relevante Eigenschaften eines der Signalwegsenzyme und lieferten ein umfassenderes Bild der Gesamtregulierung. Zudem schufen wir die Grundlagen für ein synthetisches System, um spezifische Isoprenoide (Carotinoide) aus bakteriellen Biofabriken zu gewinnen. Letzteres eröffnet neue Forschungswege zu grundlegenden Aspekten des Carotinoidtransports und der Akkumulation in Pflanzen“, erklärt Dr. Perez-Gil. Für die Antibiotikaforschung stand ein neues Enzym des MEP-Signalwegs im Vordergrund, das nur in wenigen pathogenen Mikroorganismen vorkommt. Damit eröffnen sich für diesen Forschungsbereich neue Wege, was angesichts zunehmender Antibiotikaresistenzen immer wichtiger wird. „Der Einsatz enzymspezifischer Antibiotika könnte in den nächsten Jahren ein allgemeingültigerer Ansatz werden. Dank unserer Entdeckung konnten wir neue Antibiotika gegen weit verbreitete Krankheiten in Ländern der Dritten Welt entwickeln. Wir etablierten damit für spezifische Krankheitserreger eine neue Generation von Antibiotika, die sich das neu entdeckte Enzym zunutze machen und dabei Schäden an nützlichen Mikrobiota vermeiden helfen. Es gelang uns sogar, Brucella abortus zu Leibe zu rücken – einem Erreger, der in der europäischen Rinderzucht großen wirtschaftlichen Schaden anrichtet“, schwärmt Dr. Perez-Gil. In absehbarer Zukunft hofft Dr. Perez-Gil, dass mit dem Projekt ein neues Paradigma für die industrielle Biotechnologie eingeleitet wird. Nun will er seine Arbeit auf Grundlage der Ergebnisse von BioHelp und anderer jüngster Entwicklungen auf diesem Gebiet fortsetzen.
Schlüsselbegriffe
BioHelp, Isoprenoide, MEP-Stoffwechselweg, Antibiotikaresistenz, Antibiotika, Pflanzen
