Bioökonomie

„Molekulare Fließbänder“ optimieren Rohstoffnutzung

Treib- und Kunststoffe oder Pharmazeutika aus nachwachsenden Rohstoffen zu gewinnen, ist bisher nicht effizient genug. Denn die verwendeten Mikroorganismen können den Rohstoff nur langsam verwerten und produzieren zudem unerwünschte Nebenprodukte. An der Uni Frankfurt ist es jetzt gelungen, die Zuckerverwertung in Bäckerhefe zu optimieren.

In der Bäckerhefe konkurrieren verschiedene Enzyme um Zuckermoleküle, die durch Transporter-Proteine in die Zelle aufgenommen werden. Damit der Zucker nur von Enzymen umgesetzt wird, die biotechnologisch gewünschte Produkte liefern (grüne Ovale), verknüpft man sie über eine Andock-Station direkt mit dem Transporter (rechtes Bild).

Mikroorganismen wie die Bäckerhefe kann man sich wie eine Miniaturfabrik vorstellen: Rohstoffe wie Zucker werden durch Transporter-Proteine aufgenommen und in einem mehrstufigen Prozess mithilfe von Enzymen umgebaut. Anders als in einer menschengemachten Fabrik werden aber in Mikroben nicht nur die technologisch interessanten Produkte hergestellt, sondern auch viele Nebenprodukte. Das liegt daran, dass verschiedene Enzyme um den Zucker konkurrieren, so dass verschiedene für das Überleben der Zelle wichtige Bausteine entstehen.

Thomas Thomik und Dr. Mislav Oreb vom Institut für Molekulare Biowissenschaften der Goethe-Universität ist es nun gelungen, den Stoffwechsel von Bäckerhefe so zu kanalisieren, dass die Rohstoff-Zucker produktiver genutzt werden. In der aktuellen Ausgabe von Nature Chemical Biology stellen die Frankfurter Forscher einen neuen Mechanismus vor, mit dem die Rohstoffe von Transporter-Proteinen direkt an die erwünschten Enzyme geliefert werden.

Konkurrierende Enzyme gehen leer aus

„Wir haben ein „Scaffold-Protein“ konstruiert, das an das Transporter-Protein bindet und anschließend als eine Andockstation für die gewünschten Enzyme dient. Erkennungscodes, mit dem die Enzyme versehen sind, ermöglichen das Andocken. So entsteht eine Ansammlung von erwünschten Enzymen in der Nähe des Transporters. Dadurch kann die Zelle den Rohstoff wie am Fließband bearbeiten, ohne dass die konkurrierenden Enzyme die Gelegenheit bekommen, ihn umzusetzen“, erklärt Mislav Oreb das Prinzip.

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In ihrer Arbeit zeigen die Frankfurter Biotechnologen, dass der Zucker Xylose durch solche „molekularen Fließbänder“ (Transport-Metabolons) effizienter in Ethanol umgewandelt wird, indem die Produktion des unerwünschten Nebenproduktes Xylitol minimiert wird.

„Das zugrundeliegende Prinzip könnte angewandt werden, um aus verschiedenen Zuckern beliebige Produkte wie Biotreibstoffe, Kunststoffe oder Pharmazeutika herzustellen. Das Konzept hat das Potential, die biotechnologischen Prozesse generell ökologisch und wirtschaftlich nachhaltiger zu gestalten, da eine effiziente Zuckerverwertung eine grundlegende Voraussetzung hierfür ist“, erklärt Mislav Oreb die Bedeutung des neuen Verfahrens.

Publikation

Thomas Thomik, Ilka Wittig, Jun-yong Choe, Eckhard Boles und Mislav Oreb: An artificial transport metabolon facilitates improved substrate utilization in yeast, in Nature Chemical Biology.

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