Biokatalyse für die chemische Synthese

Für die Herstellung von Industriechemikalien werden zunehmend biologische Katalysatoren (BC) eingesetzt. Diese enzymatisch wirksamen Substanzen zeichnen sich durch ihre hervorragende Selektivität und die Fähigkeit aus, gleichzeitig mehrere Reaktionen in einem Reaktor zu katalysieren.

Gesundheit

Ein zentrales Problem bei der Synthese solcher Katalysatoren ist allerdings, dass Mikroorganismen Nährstoffe hauptsächlich zur Vermehrung ihrer Biomasse einsetzen statt zur Herstellung von Enzymen. Die Steigerung der Enzymproduktion ist daher eine der wichtigsten Aufgaben für die biotechnologische Forschung. Das EU-finanzierte Projekt "Two-step-strategy towards an orthogonal bio-system" (MAZPROTEC) stellte daher ein neues Konzept zur Herstellung von Biokatalysatoren vor. Man machte sich hierfür die Fähigkeit normaler Escherichia coli-Bakterien zunutze, auf Zellebene die Synthese bestimmter Proteine zu steuern. Für diese Steuerung setzt E. coli sein Toxin/Antitoxin-System MazEF ein. Das Toxin und RNA-hydrolysierende Enzym MazF baut mRNA-Moleküle ab, die Triplets der Sequenz ACA enthalten, was normalerweise von MazE kontrolliert wird. Aktiviertes MazF verhindert die Translation der meisten mRNA, nur mRNA ohne die Erkennungssequenz ACA werden weiter translatiert. MAZPROTEC machte sich nun diesen Mechanismus zunutze, um die Zelle zu zwingen, ihre Ressourcen allein auf die Herstellung der gewünschten Proteine zu richten. Die Forscher testeten ihre Anwendung am Modellsystem der 12-stufigen Synthese von N-Acetylneuraminsäure (Neu5Ac), einem Vorläufer antiviraler Medikamente, beginnend mit Glucose (Glc) und N-Acetylglucosamin (GlcNAc). Sie führten Tests an einem reduzierten System durch, das auf dem deletierten E. coli-Stamm und den für die Umwandlung von GlcNAc und Phosphoenolpyruvat benötigten Enzymen beruht. Wie sich deutlich zeigte, kann die Proteinsynthese durch Überexpression von MazF so verändert werden, dass im Gegensatz zu Proteinen aus normalen Genen verstärkt rekombinante Proteine aus ACA-freien Genen erzeugt werden. Dies korrelierte mit einem erheblichen Anstieg der Produktion von Neu5Ac im ACA-freien System, im Gegensatz zu einem vergleichbaren ACA-System. Zusammenfassend zeigte MAZPROTEC, dass das MazEF-System hervorragend für die massive Umrichtung der Proteinsynthese geeignet ist, um die Produktivität mehrstufiger Biokatalysen zu steigern. Damit könnte die Methode ein wichtiger Faktor für künftige biokatalytische Reaktionskaskaden sein, vor allem in der Feinchemie.

Schlüsselbegriffe

Biokatalyse, chemische Synthese, biologische Katalysatoren, Enzymproduktion, MazEF

Two-Step-Strategy towards an Orthogonal Bio-System

Biokatalyse für die chemische Synthese

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