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Kooperationsprojekt Biosynthese Biosyntheseverfahren für pharmakologisch und industriell wichtigen Wirkstoffe

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Der Methylerythritol-4-Phosphat-Weg (MEP-Stoffwechselweg) dient Chloroplasten aber auch Baktieren zur Produktion zahlreicher biologischer Substanzen. Gemeinsam wollen Wissenschaftler der Max-Planck- und Fraunhofer-Gesellschaft nun in einem Forschungsprojekt diese Stoffwechselvorgänge näher untersuchen, um beispielsweise Bakterien zu züchten, die Syngas verarbeiten oder neue Medikamente produzieren.

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Die Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) in einer Röhre.
Die Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) in einer Röhre.
(Bild: Marion Rehers, Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME))

Jena – Forschungsprojekte, die von der Max-Planck- und der Fraunhofer-Gesellschaft gemeinsam durchgeführt werden, erhalten eine zusätzliche finanzielle Förderung und stoßen dadurch die Tür weit auf zu neuen Erkenntnissen in direkter Kombination mit industriellen Anwendungen. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie, Aachen, und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, werden sich in den kommenden drei Jahren der Optimierung des so genannten MEP-Stoffwechselweges widmen.

Mikroben und die Chloroplasten der Pflanzen bilden über diesen Weg zahlreiche Wirkstoffe, die der Mensch seit Jahrtausenden pharmakologisch, im Pflanzenschutz oder zu industriellen Zwecken nutzt. Produktion und Gewinnung der Wirkstoffe sind aber in der Regel nur unter großem technischem Aufwand möglich. Das Ziel des Gemeinschaftsprojekts ist es daher, Bakterien mit einem verbesserten MEP-Biosyntheseweg einzusetzen, um die Biosynthese, Handhabung und Ausbeute MEP-abhängiger Naturstoffe grundlegend zu verbessern.

Enge Verwandte: Chloroplasten und Prokaryonten

Die entscheidende Hilfestellung für das Zustandekommen der Kooperation zwischen dem Fraunhofer- und dem Max-Planck-Institut kommt aus der Natur selbst. Im Laufe der Evolution haben Einzeller andere einzellige Lebensformen in sich aufgenommen, beispielsweise Vorläufer der heute vorkommenden prokaryontischen Cyanobakterien. Aus einer solchen „Endosymbiose“, so die Theorie, sind die Pflanzenzellen mitsamt ihren Chloroplasten entstanden, und die Chloroplasten zeigen bis heute immer noch Ähnlichkeit mit prokaryontischen Zellen.

Wie Pflanzenwissenschaftler vor einigen Jahren herausgefunden haben, besitzen Chloroplasten - die Endosymbiontentheorie einmal mehr erhärtend - einen Stoffwechselweg, der ebenfalls in Prokaryonten, z.B. Bakterien, vorkommt und der Herstellung zahlreicher so genannter Sekundärmetabolite dient: den Methylerythritol-4-Phosphat-Weg, kurz MEP-Stoffwechselweg. Aus Zwischenprodukten der Glykolyse erfolgt in mehreren Schritten die Synthese von aus je fünf Kohlenstoffatomen bestehenden Moleküleinheiten, aus denen baukastenähnlich beispielsweise Chlorophylle, Carotinoide, Terpene, Cytokinine, Sterole und viele andere biologische Substanzen gebildet werden. Auch die Produktion mancher Giftstoffe, die Pflanzen gegen Schädlinge einsetzen, basiert auf dem MEP-Stoffwechselweg.

Vitamine und Aromen, Medikamente und Pflanzenschutzmittel

Die Entdeckung vieler heute gebräuchlicher Substanzen in Pflanzen und Bakterien hat der Menschheit viel Gutes geleistet. Jedoch: Deren Isolation, Reinigung und Aufarbeitung aus den natürlichen Ressourcen ist umständlich und teuer. Eine chemische Synthese wiederum ist deswegen schwierig oder gar unmöglich, weil alle diese Substanzen komplizierte Kohlenwasserstoff-Strukturen darstellen, deren exakter und schrittweiser Aufbau in der Retorte so gut wie unmöglich ist.

Die Gewinnung der Grundsubstanz Isopren aus Erdöl - ein heute immer noch geläufiges Verfahren - ist wiederum weder umweltfreundlich und noch nachhaltig. Stefan Jennewein vom Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie sowie Louwrance Wright und Jonathan Gershenzon vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie haben sich daher vorgenommen, den vor rund 15 Jahren entschlüsselten MEP-Stoffwechselweg, der zur Biosynthese der Isopren-Grundbausteine führt, derart zu studieren und zu modifizieren, dass die Herstellung der für den Menschen wichtigen Substanzen durch den Einsatz optimierter Bakterien erheblich erleichtert wird.

Die Max-Planck-Wissenschaftler widmen sich der Frage nach der Regulation des MEP-Stoffwechselweg am Beispiel der Chloroplasten aus der Modellpflanze Arabidopsis thaliana und Stefan Jennewein bearbeitet die mikrobiologisch-technische Seite: Er erzeugt transgene Bakterienstämme der Spezies Escherichia coli und Clostridium ljungdahlii, die nach Optimierung ihres MEP-Stoffwechselweges die Endprodukte produzieren sollen.

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