Design und Anwendung von nicht nativen Enzyme Kaskaden in lebenden Zellfabriken

Dieses Forschungsvorhaben zielt auf die Entwicklung künstlicher Stoffwechselwege zur Synthese chiraler organischer Verbindungen ab. Dazu soll ein solcher Stoffwechselweg, der sich nicht aus einem evolutionären Kontext entwickeln konnte, sondern vielmehr de novo geschaffen wurde in den Modellorganismus Escherichia Coli eingebaut werden. Die zusammensetzung der Enzyme erfolgt basierend auf deren speziellen Eigenschaften funktionelle Gruppen organischer Verbindungen zu transformieren. In dieser Studie werden in einem ersten Schritt Carbonsäureester zu deren korrespondierenden Alkoholen hydrolisiert, anschliessend diese zu einem Aldehyd oxidiert und in einer finalen Aldol Reaktion mit dem wirtseigenen Metaboliten Dihydroxyacetonephosphat zum gewünschten Produkt verknüpft. Die Vernetzung des neuen Stoffwechselpfades mit dem zentralen Kohlenstoff Metabolismus des Modellorganismus stellt einen ganz neuen Aspekt biokatalytischer Forschung dar und ist daher von grosser wissenschaftlicher Relevanz. Um möglichst viele Parameter studieren zu können streben wir an unterschiedliche Methoden aus verschiedenen Forschungsbereichen, wie dem Metabolic Engineering, der synthetischen Biologie, der Systembiologie und der Biokatalyse zu nutzen. Im speziellen handelt es sich hierbei um metabolische Flussanalyse (MFA), Metabolomics (LC-NMR-MS; LC-MS/MS), mathematische Modellierung (flux balance analysis (FBA)), und das Prinzip der Retrosynthese. Die klare Zielsetzung dieses Projektes ist das de novo Design und die Anwendung künstlicher Stoffwechselwege zur Synthese komplexer organischer Verbindungen in lebenden Organismen.

Dieses Forschungsvorhaben zielte auf die Entwicklung künstlicher Zellfabriken ab. Dabei wurde eine Fertigungsstraße, bestehend aus Enzymen, die für die Herstellung chemischer Verbindungen notwendig sind, im einfachen Bakterium Escherichia Coli gebaut. Der Aufbau dieses Fließbandes erfolgte mittels genetischer Manipulation der Zelle. Nachdem wir zeigen konnten, dass es prinzipiell möglich ist solche Zellfabriken zu entwickeln, sind wir einen Schritt weitergegangen und haben die Optimierung der Fertigungsstraße in Angriff genommen, damit diese Zellfabriken auch zukünftig industriell genutzt werden können. Dabei haben wir unterschiedliche Strategien verfolgt und auch neue Ideen verwirklicht. Beispielsweise haben wir anstatt einer Vielzahl an Experimenten im Labor auf Computersimulationen zurückgegriffen, um rasch zur gewünschten Produktionsoptimierung zu gelangen. Zusätzlich haben wir ein neues Konzept für den Aufbau solcher Zell-Fließbänder entwickelt. Dabei wurden Zwischenprodukte, die vom Fließband gefallen sind, wieder in die Produktionsstraße zurückgeführt, was zu einer Optimierung des Prozesses geführt hat. Konkret haben wir uns darum bemüht modifizierte Zuckermoleküle herzustellen, die dann als Ausgangsstoffe für Arzneimittel oder auch als Bausteine in der Lebensmittelindustrie Verwendung finden. Unser Forschungsvorhaben war sehr erfolgreich und wir konnten unsere Ergebnisse in renommierten Fachzeitschriften veröffentlichen und auf Fachtagungen präsentieren.