Metabolic Engineering eines Adipinsäure-Synthese

Bevor Metabolic Engineering - definiert als wissensbasierte Manipulation von Stoffwechselwegen - eine breite industrielle Anwendung im Bereich der Biotechnologie finden kann, sind noch einige grundlagenorientierte Forschungsanstrengungen notwendig. Insbesondere die Etablierung neuer Stoffwechselwege über neue Zwischenprodukte übt einen untypischen Stress auf die Physiologie der Stämme aus, z.B. durch toxische Zwischenprodukte und/oder Endprodukte. In diesem Projekt sollen die physiologischen Reaktionen von Mikroorganismen auf die Produktion von Adipinsäure untersucht und letztlich angepasst werden. Es soll ein neuer Stoffwechselweg konstruiert werden, der über ein toxisches Zwischenprodukt abläuft. Dieses Modell ist daher besonders geeignet um wesentliche Fragen der Robustheit derartiger neuer Stoffwechselnetzwerke zu studieren. Am Beispiel von zwei Bakterien- und zwei Hefearten sollen quantitative physiologische Reaktionen der Zellen bestimmt werden. Neben der Produktion von Adipinsäure sollen der intrazelluläre pH und reaktive Sauerstoffspezies (ROS) bestimmt werden. Die Stabilität des intrazellulären pH ist ein Parameter für die Resistenz eines Organismus gegen organische Säuren, die produziert werden. ROS sind ein genereller Parameter für Stress verschiedener Ursachen. Die abschließende Evaluierung der entwickelten Stämme ermöglicht die Auswahl des geeignetsten Organismus für die Entwicklung eines biotechnologischen Produktionsprozesses für Adipinsäure. Adipinsäure ist der Precurser für die Herstellung wichtiger Polymere wie Nylon-66. Adipinsäure wird derzeit hauptsächlich aus Benzol über Cyclohexan/Cyclohexanol hergestellt, das mit Salpetersäure oxidiert wird. Dieser Prozeß ist ein enormes Umweltproblem, nicht nur wegen der Verwendung fossiler Rohstoffe, sondern durch die Freisetzung von N2O, einem bedeutenden Treibhausgas. Das langfristige Ziel ist daher die Entwicklung eines biotechnologischen Produktionsprozesses für Adipinsäure, der von erneuerbaren Rohstoffen ohne umweltschädliche Nebenprodukte ausgeht.

Mikrobielle Produktionsprozesse von Chemikalien und Treibstoffstoffen aus erneuerbaren Rohstoffstoffen stellen eine Schlüsseltechnologie für die Zukunft dar. Im Rahmen dieses Projektes wurden die Grundlagen für einen mikrobiellen Herstellungsprozess von Adipinsäure aus Glucose erarbeitet. Adipinsäure ist ein industriell bedeutender Rohstoff für die Nylonherstellung. (Der Anteil an Nylon an der weltweiten Kunstfaserherstellung beträgt etwa 8,9%). Der von uns vorgeschlagene künstliche Stoffwechselweg kombiniert Aktivitäten von zwei verschiedenen Bakterienarten: In einem ersten Schritt wird ein Zwischenprodukt aus Glucose hergestellt, dieses Zwischenprodukt wird dann in einem zweiten Schritt in Adipinsäure umgewandet. Interessanterweise, ist der Mikroorganismus, der sich für den ersten Schritt als ideal erwies ein Bakterium namens Megasphaera elsdenii, das aus dem Pansen von Rindern und Schafen isoliert wurde. Dieser Organismus ist schon seit geraumer Zeit bekannt, insbesondere im Zusammenhang mit der Azidose einer gefürchteten Krankheit von Wiederkäuern, die durch Gabe von M. elsdenii geheilt oder verhindert werden kann. Das biotechnologische Potential diesen Mikroorganismus wurde bisher nicht beschrieben. Im Rahmen dieses Projektes haben wir die Genomsequenz dieses Organismus ermittelt und der Stoffwechselweg, der zum Adipinsäurevorläufermolekül führt konnte beschrieben werden. Der zweite Stoffwechselschritt wird von Pseudomonas putida katalysiert, einem Bakterium das dafür bekannt ist, viele erdölbasierte Schadstoffe abbauen zu können. Die Umsetzbarkeit des vorgeschlagenen Stoffwechselweges konnte somit erfolgreich gezeigt werden, was die Grundlage für weitere Entwicklungen darstellt.