Neue Ausgangsstoffe und Produkte aus der Zellfabrik

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Universität Bielefeld

Erschließung neuer Produkte und Substanzklassen

In Zukunft sollen aber mit C. glutamicum ganz neue Wege beschritten, und völlig andere Substanzklassen erschlossen werden. Dazu zählen z.B. Terpenoide (auch Isoprenoide genannt). Terpenoide sind eine extrem heterogene Stoffklasse aus mehreren 10 000 verschiedenen Substanzen, die sich jedoch alle dadurch auszeichnen, dass sie sich aus dem gleichen Vorläufermolekül, dem C5-Molekül Isopentenylpyrophosphat (IPP) ableiten. Terpenoide werden von allen Lebewesen, einschließlich der Bakterien synthetisiert und spielen eine wichtige Rolle beim Aufbau von Zellmembranen (Styrole und Hopanoide), in der Atmungskette (Ubichinon, Menachinon und Plastochinon), in der Photosynthese und als Photoprotektoren (Carotinoide und Seitenketten des Chlorophylls), sowie bei der Zellentwicklung und dem Wachstum (Steroidhormone, Cytokine, Abscisinsäure und als Substrate der Proteinmodifikation). Durch diese enorme Bandbreite an Eigenschaften sind Terpenoide heutzutage attraktive Produkte der chemischen Industrie. Die kurzkettigen, und daher flüchtigen Mono- und Sesquiterpene, die essenzielle Bestandteile der etherischen Öle der Pflanzen sind, wie das Limonen oder das Citronellol, werden z.B. als Duftstoffe in der Kosmetikindustrie verwendet. Auch als Aromastoffe in der Nahrungsmittelindustrie finden sie Verwendung. Für die pharmazeutische Industrie spielen Terpenoide, und hier vor allem die höhermolekularen Di-, Tri- und Tetraterpene, ebenso eine Rolle. Bekannte Beispiele sind das Krebsmedikament Taxol, sowie Artemisinin, das ein Bestandteil heutiger Anti-Malariamittel ist.

Bisher werden Terpenoide industriell hauptsächlich durch Extraktion aus Pflanzenmaterial gewonnen, so auch das Artemisinin, das aus dem einjährigen Beifußgewächs Artemisia annua extrahiert wird. Sowohl für Taxol als auch für Artemisinin werden derzeit biotechnologische Ansätze untersucht, und im Falle des Artemisinin ist zu erwarten, dass noch in diesem Jahr ein Produkt auf den Markt kommt, das auf Basis des Metabolic Engineering mit der Hefe Saccharomyces cerevisiae hergestellt wird [7].

C. glutamicum ist bereits von Natur aus in der Lage Carotinoide zu synthetisieren [8]. Die Funktion der Carotinoide liegt wahrscheinlich vor allem in ihrer antioxidativen Wirkung sowie als Photoprotektoren. Das Bakterium weist eine gelbliche Färbung auf, die auf der Bildung von Decaprenoxanthin beruht. Der Schlüsselschritt der Decaprenoxanthinsynthese wird durch eine Terpensynthase, der so genannten Phytoensynthase katalysiert. Obwohl die Biosynthese der Carotinoide ausgehend von IPP entschlüsselt ist, weiß man noch nichts über die eigentliche Synthese des IPP-Bausteins. Erste bioinformatische Analysen haben ergeben, dass das Bakterium nur über einen von zwei möglichen Biosynthesewegen verfügt: den so genannten DXP-Syntheseweg, der sich nach seinem Zwischenprodukt 1-Deoxyxylulose-5-phosphat benennt, und aus den Glykolyseintermediaten Glyzerinaldehyd-3-phosphat und Pyruvat abzweigt (s. Abb. 2). Der zweite, weitaus besser untersuchte Weg, der so genannten Mevalonat-Biosyntheseweg kommt hauptsächlich in Eukaryoten, aber auch in einigen Bakterien, z.B. den pathogenen Staphylokokken vor. Das Ziel ist es daher, den Biosyntheseweg des IPP und die nachfolgenden Schritte zum Carotinoid in C. glutamicum genau zu analysieren und soweit zu verbessern, dass eine Produktion weiterer Carotinoide bzw. ganz neuer Terpenoide ausgehend von der Vorstufe IPP möglich wird. Dazu können z.B. weitere Terpensynthasen aus anderen Organismen in C. glutamicum eingebracht werden.

Alternative Kohlenstoffquellen erschließen

Wurden bisher Wertstoffe, wie z.B. Aminosäuren, Medikamente oder Bausteine für Kunstoffe oder Zusätze für Kosmetika mit Bakterien hauptsächlich aus dem Substrat Glukose gewonnen, so geht man nun dazu über, alternative Substrate zu erschließen. Vor allem solche nachwachsenden Rohstoffe stehen im Blickpunkt, die nicht auch als Lebensmittel verwendet werden. Dazu gehören landwirtschaftliche Abfallprodukte, die heute hauptsächlich in Biogas-Anlagen verwertet oder kompostiert werden. Weitere Beispiele sind Glyzerin, das als Koppelprodukt bei der Biodiesel-Herstellung anfällt [9], oder Methanol, das aus Erdgas oder Biomasse gewonnen werden kann und ein gängiger Rohstoff in der chemischen Industrie ist. C. glutamicum ist natürlicherweise nicht in der Lage, Glyzerin, Methanol oder Pentosezucker, die bei der Hydrolyse von Agrarabfällen gewonnen werden können, als Substrate für das Wachstum oder die Aminosäureproduktion zu nutzen. Es gelang bereits, maßgeschneiderte Stoffwechselwege für die effiziente Verwertung der Pentose-Zucker Arabinose und Xylose sowie für Glyzerin in C. glutamicum zu etablieren. Zukünftig sollen die Fähigkeiten, alternative Kohlenstoffquellen zu erschließen, mit den Fähigkeiten, bestehende oder neue Produkte wie Aminosäuren und Terpenoide zu produzieren, kombiniert werden. Im Idealfall kann der Biotechnologe auf eine Stammentwicklung nach dem Baukastenprinzip zurückgreifen und schnell effiziente Biokatalysatoren zum Einsatz bringen.

Literatur:

[1] Wendisch, V.F., M. Bott, J. Kalinowski, M. Oldiges, & W. Wiechert. 2006. “Emerging Corynebacterium glutamicum systems biology”. Journal of Biotechnology, 124(1), 74 - 92.

[2] Wendisch, V.F. 2011. „Synthetische Biologie zum Design Massgeschneiderter Stoffwechselwege”, in: A. Pühler, B. Müller-Röber, & M.-D. Weitze (Eds.), acatech diskutiert: Synthetische Biologie. Springer, 65 - 70.

[3] Handbook of Corynebacterium glutamicum. 2005. Eggeling L, Bott M (Eds.); Boca Raton, USA: CRC Press.

[4] Amino Acid Biosynthesis – Pathways, Regulation and Metabolic Engineering. Wendisch VF (Ed.);5 Heidelberg, Germany: Springer: V - VII.

[5] Peters-Wendisch, P., M. Stolz, H. Etterich, N. Kennerknecht, H. Sahm, & L. Eggeling. 2005. “Metabolic Engineering of Corynebacterium glutamicum for L-Serine Production.” Applied Environmental Microbioloy, 71, 7139 - 7144.

[6] Schneider, J., D. Eberhardt, & V.F. Wendisch. 2012. “Improving putrescine production by Corynebacterium glutamicum by fine-tuning ornithine transcarbamoylase activity using a plasmid addiction system”. Applied Microbiology and Biotechnology. In press. http://dx.doi.org/10.1007/s00253-012-3956-9

[7] Keasling JD. 2012 “Synthetic biology and the development of tools for metabolic engineering.” Metabolic Engineering. In press. http://dx.doi.org/10.1016/j.ymben.2012.01.004

[8] Krubasik P, Kobayashi M, Sandmann G. 2001. „Expression and functional analysis of a gene cluster involved in the synthesis of decaprenoxanthin reveals the mechanisms for C50 carotenoid formation.” Eur J Biochem. 268(13):3702-8.

[9] Wendisch, V.F., T. Meiswinkel, & S. Lindner. 2011. “Use of glycerol in biotechnological applications”, in: G. Montero, & M. Stoytcheva (Eds.), Biodiesel - Quality, Emissions and By-Products. Rijeka, Croatia: InTech – Open Access Publisher, 305 – 340.

* Dr. P. Peters-Wendisch, S. A. E. Heider: Fakultät für Biologie, Universität Bielefeld, 33501 Bielefeld

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