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Neue Methode erkennt einfacher nützliche Enzyme

Ein Wissenschaftsteam hat mit Unterstützung der EU ein System entwickelt, dass unsere natürliche Umwelt effizienter nach für industrielle Prozesse nützlichen Enzymen durchsuchen kann.

Industrielle Technologien

Enzyme sind Proteine innerhalb von Zellen, die kommerziell eingesetzt werden, um Reaktionen zu kontrollieren und zu beschleunigen und so schnell und genau das gewünschte Endprodukt zu erhalten. Von Arzneimitteln und Biokraftstoffen hin zu Lebensmitteln und Getränken oder Verbrauchsgütern – Enzyme sind wertvoll, da industrielle Prozesse durch sie wirtschaftlich, weniger toxisch und nachhaltiger werden.

Suche nach industriell nützlichen Enzymen in der Natur

Es werden immer mehr Enzyme entdeckt, doch sie zu finden ist nicht einfach. Um neue Enzyme in der natürlichen Umgebung zu entdecken, muss man zunächst einen Ort finden, an dem Mikroben leben, die so ein Enzym benötigen. Ein Forschungsteam wurde teils von den EU-finanzierten Projekten METAFLUIDICS und PicoCB unterstützt und entwickelte ein neues Verfahren zum Aufbrechen von Zellen, das bei der Suche helfen könnte. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „ACS Synthetic Biology“ veröffentlicht. Bei der Methode bleiben mehrere Zellen intakt, sodass diese entnommen und weiter untersucht werden können. Das ist ein wichtiger Schritt bei der Überprüfung auf nützliche Enzyme. Enzyme sind an jedem Schritt der DNA-Replikation beteiligt. „Es ist einfach, DNA einzusammeln, sie zu klonen und in diese Mikroorganismen einzusetzen“, erklärt der Korrespondenzautor Rahmi Lale, Spezialist für synthetische Biologie an der Universität für Wissenschaft und Technologie Norwegen, dem Projektpartner für METAFLUIDICS, in einem Artikel auf der Website „Phys.org“. „Doch auf einmal hat man Hundert Millionen unterschiedliche Zellen. Jede einzelne davon trägt etwas Einzigartiges in sich, doch man weiß nicht, welche Dinge von Interesse sie in sich trägt.“

Von der Überprüfung zur Lochkontrolle

Die Forschenden setzten Mikrofluidik ein – also die Wissenschaft der Manipulation und Kontrolle winziger Mengen Flüssigkeit – um die Mikroben 10 000-mal schneller zu prüfen als mit bisherigen Verfahren. Die Mikroben werden in Wassertropfen gefangen, die sich in einer ölbasierten Trägerflüssigkeit befinden. Doch die Zellen müssen für die Tests geöffnet werden, da ein Großteil der potenziell nützlichen Enzyme in diesen Mikroben entsteht. Das System sticht absichtlich in die Zellmembran, sodass das Innenleben in die Umgebung fließt. Dann kann geprüft werden, ob vorhanden ist, wonach die Forschenden suchen. „Wir verfügen über ein Substrat, mit dem die Enzyme interagieren können“, meint Dr. Lale. Eine positive Übereinstimmung führt zu einer Reaktion. Dank des neuen Systems kann das Team einige Zellen bewusst intakt lassen, um diese später zu entnehmen. „Wenn wir kontrollieren, wie viele Löcher wir stechen, kontrollieren wir auch, wie viele Zellen sterben. Wir töten nicht alle ab, das ist wichtig.“ Dr. Lale erklärt dazu: „Wenn in einem Tropfen etwas Interessantes passiert, können wir den Tropfen entnehmen. Dank des schnellen Zellwachstums können wir den Tropfen in ein Wachstumsmedium einbringen und am nächsten Tag haben wir wieder Milliarden Zellen. Die DNA-Entnahme ist dann eine simple Aufgabe.“ Die Forschenden arbeiten jetzt mit der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich, dem Projektkoordinator von PicoCB, zusammen und setzen das System ein, um Umwelt-DNA-Proben von verschiedenen Standorten zu durchsuchen. Das könnte zu faszinierenden Enzymen führen. METAFLUIDICS (Advanced toolbox for rapid and cost-effective functional metagenomic screening - microbiology meets microfluidics.) endete im November 2020. PicoCB (Exploring the Chemical Biology of Sequence Space via Picoliter Droplets) endet im September 2022. Weitere Informationen: METAFLUIDICS-Projektwebsite PicoCB Projekt

Schlüsselbegriffe

METAFLUIDICS, PicoCB, Enzyme, industrieller Prozess, Zelle, Mikrofluidik, Mikroben, Tropfen

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