Computergestütztes Design von Mikroorganismen für neue Biokraftstoffe
Um neue Mikroorganismen zur effizienten Herstellung von Biokunststoffen oder Biokraftstoffen zu entwickeln, werden Gene von Mikroorganismen gentechnisch verändert oder Gene aus anderen Organismen in diese eingeschleust. Diese biologischen Prozesse (die so genannte Grüne Chemie) bieten erneuerbare und umweltfreundliche Alternativen zur herkömmlichen petrochemischen Herstellung. Allerdings ist die Anzahl der möglichen Kombinationen bei der Integration von Genen aus verschiedenen Organismen in einen mikrobiellen Wirt zu komplex, als dass dafür herkömmliche Techniken ausreichen. Mit computergestützten Techniken können nun gentechnische Methoden entwickelt werden, die effiziente Mikroorganismenstämme erzeugen, um sie dann experimentell zu testen. Das EU-finanzierte Projekt PSEUDOMODEL (Integrative modeling and engineering of Pseudomonas putida for green chemistry) entwickelte computergestützte Methoden für gentechnische Strategien zur effizienten Produktion von Biokraftstoffen und Biokunststoffen. Erstellt wurden ein Datensatz zum enzymatischen Repertoire von 23 Mikroorganismen und ein Softwareprogramm, mit dem sich die minimale Anzahl von Interventionen zur Steuerung der Aktivität zellulärer Signalwege berechnen lässt. Auf diese Weise konnten mehrere viel versprechende gentechnische Zielstrukturen enthüllt werden. Mit dem gut beschriebenen Mikroorganismus Pseudomonas putida KT2440 wurden Polyhydroxyalkanoate (PHA) hergestellt, die wichtige Ausgangsprodukte für Biokunststoffe sind. Bestehende Modelle von P. putida KT2440 wurden verglichen und getestet und mit dem PSEUDOMODEL-Computerprogramm Gentechniken zur effizienten Herstellung von Acetyl-Coenzym A ermittelt (einer wichtigen Vorstufe von PHA). Hierfür kamen drei verschiedene Szenarien in Betracht: die Optimierung zum einen des mikrobiellen Wachstums, zum anderen der Ausbeute von Acetyl-Coenzym A und schließlich deren kombinierte Optimierung. Wie sich zeigte, konnte das Wachstum durch die alternativen gentechnischen Verfahren um bis zu 147 % und die PHA-Produktion um bis zu 136 % erhöht werden konnte. Im zweiten Szenario wurde zudem festgestellt, dass die Aufnahmerate von Bernsteinsäure ein limitierender Faktor bei der Acetyl-Coenzym A-Produktion ist. Weiterhin wurde am Mikroorganismus P. putida DOT-T1E und dessen hervorragender Toleranz gegenüber toxischen Substanzen geforscht, um diese durch gentechnische Veränderung noch zu verbessern. Die neuen Stämme könnten sich als produktive Host-Systeme für die effiziente Erzeugung von n-Butanol erweisen, ein Biokraftstoff der nächsten Generation, der wegen seiner hohen Energiedichte und sicheren Handhabung sowie möglichen direkten Verwendung in Ottomotoren großes Potenzial hat. PSEUDOMODEL wird dazu beitragen, die effiziente Herstellung von Biokraftstoffen und biologisch abbaubaren Verbindungen neu entwickelter Mikroorganismenstämme zu beschleunigen. Außerdem kann die EU auf diese Weise ihre weltweit führende Stellung in der grünen Chemie etablieren, was Umweltbelastungen und die Abhängigkeit von Erdöl reduziert.
Schlüsselbegriffe
Grüne Chemie, Gentechnik, Pseudomonas putida KT2440, Polyhydroxyalkanoate, Acetyl-Coenzym A, Bernsteinsäure, P. putida DOT-T1E, n-Butanol
