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Synthetic bacterial lipid rafts to optimize industrial bioprocesses

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Synthetische bakterielle „Rafts“ optimieren biologische Verfahren

Bakterienzellen, die derart konstruiert wurden, dass sie bestimmte biologische Reaktionen „einschließen“, könnten die Effizienz in der biotechnologischen Produktion steigern. Dies käme einer Reihe von Sektoren – von der Pharma- bis zur Kosmetikindustrie – zugute.

Industrielle Technologien

Bakterien werden in der Biotechnologie zur Herstellung einer breiten Palette wertvoller Verbindungen eingesetzt. Die Leistung dieser Mikroorganismen ist jedoch häufig begrenzt – aufgrund der Toxizität einiger Verbindungen und aufgrund der Schwierigkeit, die komplexen Wechselwirkungen innerhalb der Bakterienzellen zu steuern. Die Lösung des Toxizitätdilemmas bei gezüchteten Bakterien – die von der Wissenschaft als mikrobielle Chassis bezeichnet werden – könnte die Leistung verbessern. Dies könnte gelingen, indem biotechnologische Reaktionen innerhalb der Bakterien „eingeschlossen“ werden, so dass die Bakterienzellen als Ganzes vor toxischen Reaktionen geschützt sind. Diese Technik könnte zur Entwicklung optimierter mikrobieller Chassis führen. Diese wären in der Lage, durch eine entsprechende Anpassung verschiedene Arten von Verbindungen herzustellen, die für eine Reihe industrieller Anwendungen von Nutzen sind – von der Gesundheitsfürsorge bis hin zu Lebensmitteln. „Beim genetischen Design und der Konstruktion mikrobieller Chassis wird es immer Herausforderungen geben“, sagt Daniel Lopez, Projektkoordinator von Rafts4Biotech und Forschungsleiter beim Spanischen Nationalen Forschungsrat (CSIC). „Die vielleicht schwierigste Aufgabe besteht darin, das Chassis nicht nur unter optimierten Laborbedingungen, sondern auch unter industriellen Bedingungen funktionstüchtig zu machen.“

Effiziente industrielle Bioprozesse

Um dieses Ziel zu erreichen, baut das Projekt Rafts4Biotech auf früheren Arbeiten auf. Das Labor von Lopez untersuchte funktionelle Mikrodomänen – kleine Bereiche der Zellmembran, die unterschiedliche Strukturen aufweisen. „Bestimmte Mikrodomänen sind dafür bekannt, dass sie bakterielle Proteininteraktionen fördern“, erklärt er. „Wir zielen normalerweise auf diese mikrobiellen Strukturen ab, wenn wir neue antimikrobielle Mittel entwickeln.“ Das Projekt Rafts4Biotech verfolgte jedoch den umgekehrten Ansatz. „Hier stellte sich die Frage, ob wir Mikrodomänen in Bakterien herstellen können, um interessante Proteininteraktionen zu fördern“, fügt Lopez hinzu. „Wir wollten herausfinden, ob sich dadurch die Effizienz industrieller Bioprozesse verbessern lässt.“ Lopez und sein Team machten sich daher an die Entwicklung synthetischer Mikrodomänen oder „Rafts“ in Bakterien. Diese Stämme wurden dann zur Herstellung industriell nutzbarer Verbindungen für Sektoren wie die Kosmetik- und die Pharmaindustrie verwendet, um festzustellen, ob Effizienzsteigerungen möglich sind. „Wir wollten zunächst nachweisen, dass unsere Technologie unter Laborbedingungen funktioniert“, erläutert Lopez. „Und im zweiten Schritt, dass es tatsächlich möglich ist, diese Technologie auf bestimmte Bioreaktionen in industriellen Umgebungen anzuwenden. Dies würde die potenzielle Anwendbarkeit unserer Technologie bestätigen.“ Im Rahmen des Projekts Rafts4Biotech konnten Mikroben entwickelt werden, die biotechnologisch relevante Reaktionen auf bestimmte Membran-Mikrodomänen beschränken. Diese Technik schirmt die Reaktionen von anderen bakteriellen Stoffwechselprozessen ab und schützt die Zellen vor unerwünschten Interferenzen. Letztendlich wird dadurch die Effizienz biotechnologischer Prozesse verbessert.

Technologie der nächsten Generation

Eine wesentliche Stärke dieser Technologie läge in ihrer Vielseitigkeit, sagt Lopez. Im Bereich des Gesundheitswesens könnte die Technologie beispielsweise dazu beitragen, antimikrobielle Mittel der nächsten Generation zu entwickeln, die unter herkömmlichen Bedingungen nicht hergestellt werden können. Im Kampf gegen multiresistente Bakterien, die sich zu einer großen Bedrohung für die öffentliche Gesundheit entwickelt haben, könnte sich das als nützlich erweisen. Außerdem könnte die Technologie auch dazu beitragen, der Industrie eine deutlich effizientere Produktion zu ermöglichen. Produkte für Make-up, Haut und Haare in der Kosmetikbranche enthalten beispielsweise Moleküle wie natürliche Pigmente und Vitamine, die oft durch teure chemische Syntheseverfahren hergestellt werden. Das Rafts4Biotech-Projekt könnte die Hersteller in die Lage versetzen, die chemische Molekülproduktion durch nachhaltigere Bioprozesse zu ersetzen, die bei niedrigeren Temperaturen und mit weniger Energieaufwand betrieben werden. „Unsere Technologie ist nicht darauf beschränkt, nur einen bestimmten Mikroorganismus herzustellen; wir haben auch gezeigt, dass sie eine Verbesserung bestimmter industrieller Prozesse erlaubt“, bemerkt Lopez. Zu den nächsten Schritten zählt die Ausweitung der Technologie auf andere industriell relevante Sektoren. „Ich hoffe, dass dieses Projekt dazu beitragen wird, die Entstehung einer gut etablierten Biotechnologie in Gang zu bringen“, schließt Lopez.

Schlüsselbegriffe

Rafts4Biotech, bakteriell, biologisch, Pharmazeutika, Kosmetika, mikrobiell, Mikroorganismus, genetisches Design, Mikrodomänen, Zellen

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26 Januar 2021