Innovative Biotechnologie weist neue Wege zur Produktion von Chemikalien und Therapeutika

Bei der synthetischen Biologie handelt es sich um eine neu entstehende Technologie, die das Versprechen eines neuen Produktionsmodells mit einer klaren Aufgabe in der zukünftigen Bioökonomie in sich birgt. Anwendungen sind in wichtigen Wirtschaftssektoren wie der Chemie, der Medizin und im Umweltbereich vorgesehen.

Industrielle Technologien

Grundlagenforschung

Zellfabriken entwickeln sich im Zusammenhang mit der Herstellung von chemischen Stoffen und Therapeutika in von der Industrie eingesetzten Verfahren auf biologischer Basis zunehmend zu einer vielversprechenden Alternative. Jedoch steht die technische Entwicklung von Zellen mit dem Ziel der Überproduktion der anvisierten chemischen Stoffe bei hohen Ausbeuten und Geschwindigkeiten im Widerspruch zu deren natürlicher Wachstumsrate und stellt die Forscher vor ganz spezielle technische Herausforderungen. Die EU-finanzierte Initiative PROMYS wurde konzipiert, um die wissenschaftlichen Beschränkungen im Zusammenhang mit der technischen Entwicklung komplexer biologischer Systeme anzugehen. Traditionell erfordert die Isolierung hochproduktiver zellulärer Phänotypen die Analyse großer Datensätze, um wichtige genetische Bestandteile zu identifizieren. Die Wissenschaftler von PROMYS verfolgten das Ziel, mit Hilfe einer neuartigen Technologie der synthetischen Biologie die Errichtung, Optimierung und Leistungsfähigkeit von Zellfabriken drastisch zu beschleunigen. „Wir wollten eine Plattform entwickeln, mit der sich besser funktionierende Biokatalysatoren im Hochdurchsatz ermitteln lassen“, erklärt Projektkoordinator Prof. Morten Sommer. Biotechnologische Engpässe überwinden Zellfabriken weisen bei Fermentationsprozessen oft eine verringerte Produktivität auf, da die Überproduktion der Zielchemikalie entweder toxisch oder überflüssig ist. In Folge dessen entwickeln sich technisch veränderte Zellen eher weg vom Produktionsziel hin zu einem Zustand geringerer Produktion und höherer Wachstumsrate. Um diesen Engpass zu beheben, erzeugte PROMYS sogenannte „ligandenresponsive Selektionssysteme“, robuste biomolekulare Schaltungen mit integrierten Sensormodulen, die den zellulären Zustand erfassen und die Produktion an zelluläre Programme koppeln. Im Grunde übt man damit einen nicht natürlichen selektiven Druck auf die Wirtszelle aus, wobei einzelne, die Produktionsziele nicht erfüllende, Zellen zerstört werden. „Auf diese Weise kann die Fermentationspopulation in dem gewünschten Zustand einer hohen Produktivität gehalten werden, was zu höheren Fermentationsausbeuten führt“, fährt Prof. Sommer fort. Während des Projekts mussten die Forscher wissenschaftliche Probleme bezüglich der Entwicklung von Synthesewegen, der Optimierung der Zellfabrikproduktion und der Steuerung von Zellpopulationen während der Fermentation lösen. Um diese Ziele zu erreichen, identifizierten sie spezifische RNA- und Protein-basierte Biosensoren, die als ligandenresponsive Selektionssysteme für zentrale Stoffwechselprodukte eingesetzt werden könnten. Die ligandenresponsive Selektion war neuartig für PROMYS und kam anstelle der standardmäßigen analytischen Screening-Methoden zum Einsatz. „Indem wir die Konzentration eines gewünschten chemischen Stoffs mit dem Überleben der Zelle verknüpfen, konnten wir viele Biosynthesewege schnell testen und dabei zeitaufwändige und äußerst arbeitsintensive Analyseverfahren umgehen“, fährt Prof. Sommer fort. Durch selektive Zyklen der biologischen Optimierung innerhalb des Rahmenwerks der synthetischen Biologie konnten die Forscher spezifische Stoffwechselprozesse in technisch veränderten Zellen optimieren. Gleichzeitig gelang es ihnen, zahlreiche Zellbibliotheken zu erstellen, die anschließend nach optimierten Enzymfunktionen, neuen Synthesewegen und Zellfabrikoptimierung durchsucht wurden. Technologieanwendungen Neben der Bereitstellung von Instrumenten und Methodik erzielte das Projekt bedeutende wissenschaftliche Durchbrüche, die wichtige Erkenntnisse auf dem Gebiet der synthetischen Biologie lieferten. Mit der Einbindung von zukunftsorientierten Engineering-Werkzeugen und Konzepten der synthetischen Biologie unterstützt die PROMYS-Plattform die Erkennung der vorteilhaftesten Parameter mit Hilfe selbstselektiver Zyklen der biologischen Optimierung. Insgesamt stellt sie in den Händen zukünftiger Chemieingenieure ein wertvolles Werkzeug dar, das ihnen die Möglichkeit gibt, Zellsignalwege entsprechend der speziellen Ziele ihrer Anwendung abzuändern. Im Zusammenhang mit spezifischen biotechnologischen Anwendungen ermöglicht sie das den Produktionszielen entsprechende Engineering von Zellfabriken, indem die natürlichen Neigungen biologischer Systeme überwunden werden. Man hat das Projekt dafür konzipiert, die Industriepartner in die Kommerzialisierung von Produkten und Technologien einzubeziehen. Wie Prof. Sommer abschließend feststellt, „geht man davon aus, dass die Ergebnisse erhebliche Auswirkungen auf verschiedene industrielle Anwendungen innerhalb der chemischen Industrie mit einem Umsatzpotenzial von mehreren Millionen Euro haben werden, etwa bei Lebensmitteln und Getränken, Kosmetika und Pharmazeutika.“

Schlüsselbegriffe

PROMYS, Zellfabrik, synthetische Biologie, Biotechnologie, Biosensor

Programming synthetic networks for bio-based production of value chemicals

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