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Laborautomation Wie von Zauberhand: Beschleunigte adaptive Laborevolution mikrobieller Produktionsprozesse

| Autor/ Redakteur: Andreas Radek et al.* / Dr. Ilka Ottleben

Mikroorganismen als „Produktionsfabriken“ für Wertstoffe sind ein wichtiges Werkzeug für eine nachhaltige Bioökonomie. Doch wie lassen sich die Produktionsstämme möglichst effizient und optimal an die Prozesse anpassen? Ein neuer Ansatz setzt auf miniaturisierte und automatisierte Verfahren, um die adaptive Laborevolution mikrobieller Produktionsprozesse zu beschleunigen.

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Abb. 1: Man muss nicht zaubern können: Effizientere Ansätze zur Stammkonstruktion sind möglich.
Abb. 1: Man muss nicht zaubern können: Effizientere Ansätze zur Stammkonstruktion sind möglich.
(Bild: Bild: © lev dolgachov, © rueangwit- stock.adobe.com)

Zur Transformation der konventionellen, erdölbasierten Industrie in eine nachhaltige Bioökonomie sollen verstärkt Mikroorganismen zur Produktion von Wertstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen zum Einsatz kommen. Um die zukünftigen Herausforderungen in der Entwicklung optimaler Plattformorganismen zu bewerkstelligen, werden effizientere Ansätze zur Stammkonstruktion benötigt. Das Microbial Bioprocess Lab – A Helmholtz Innovation Lab entwickelt dazu unter anderem miniaturisierte und automatisierte Verfahren zur adaptiven Laborevolution.

Etablierte Ansätze zur gerichteten Stammkonstruktion

Die Mehrzahl mikrobieller Produktionsprozesse mit industrieller Relevanz wird gegenwärtig in drei voneinander abhängigen Stufen entwickelt. Zunächst wird ein geeigneter Produktionsorganismus aus einer Liste mit etablierten, mikrobiellen „Arbeitstieren“ ausgesucht. Für diese so genannten Plattformorganismen stehen die notwendigen genetischen Grundlagen zur effizienten gerichteten Stammkonstruktion zur Verfügung. Dazu gehören u.a. Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Bacillus subtilis und Corynebacterium glutamicum [1-4]. Danach werden die gewünschten metabolischen Eigenschaften zur Produktion der Zielkomponente systematisch in den ausgewählten Organismus eingeführt und die erhaltenen Stammvarianten durch schnelle Screening-Ansätze vorsortiert [5].

Interessante Kandidaten werden anschließend im Detail charakterisiert, indem neue Verfahren zur schnellen Stamm-Phänotypisierung [6] mit detaillierter Multi-Omics-Analytik [7] und integrativen Modellierungsansätzen in möglichst effizienter Weise miteinander kombiniert werden [8]. Schließlich wird ein entsprechender Produktionsprozess entwickelt, wobei klar definierte Kultivierungsbedingungen vorteilhaft sind, da sie eine spätere Prozess­optimierung in Richtung einer langzeitstabilen Produktion erheblich erleichtern [9].

Dieser dreistufige Ansatz resultiert allerdings im Regelfall in langen Entwicklungszyklen, insbesondere wenn es um das Auffinden geeigneter Stellschrauben im Genom des Zielorganismus geht. Eine große Herausforderung beim „Debottlenecking“ von metabolischen Engpässen stellt dabei die enorme Komplexität des Stoffwechsels von Mikroorganismen dar, die sich im Zuge der evolutiven Anpassung an wechselnde Umgebungsbedingungen in der Natur herausgebildet hat. Darüber hinaus führen die auf unabhängigen, empirischen oder theoretischen Grundlagen abgeleiteten genetischen Modifikationen häufig zu einer nicht vorhergesehenen starken Reduktion der zellulären Fitness des Zielorganismus und damit zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Produktionsleistungen.

Adaptive Laborevolution als alternativer Ansatz

Die schnelle Anpassung von Mikroorganismen an verschiedene Umweltbedingungen bildet gleichzeitig die Grundlage für das Verfahren der adaptiven Laborevolution (ALE). Hierbei werden Mikroorganismen gezielt unter prozessrelevanten, nicht-natürlichen Umgebungsbedingungen kultiviert, um das Wachstumsverhalten infolge evolutiver Anpassungen zu verbessern.

Dazu zählt insbesondere die Anpassung der Mikroorganismen an bestimmte Betriebsbedingungen (Temperatur, pH, Begasung, etc.) und einzelne (toxische) Medienkomponenten sowie an die durch die Zellen produzierten intra- und extrazellulären (Neben)produkte. Insbesondere bei wachstumsgekoppelten Produktionsprozessen unter Nutzung alternativer Kohlenstoffquellen wie sie häufig bei der Verwertung grüner Biomasse anfallen (z.B. C5-Zucker wie D-Xylose) bzw. der Bildung inhibierender Zielprodukte (z.B. Alkohole oder organischen Säuren) ist eine Erweiterung des Substratspektrums bzw. der Produkttoleranz ein erstrebenswerter Endzustand im Rahmen ALE-gestützter Stammentwicklung [10].

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