AUTHORS
Miriam Kuzman, Lisa Sanvito, Bernd M. Mitic, Ozge Ata, Diethard Mattanovich
Die moderne Biotechnologie hält spannende Möglichkeiten bereit: vereinfacht könnte man sagen, Forschende schöpfen aus einem riesigen Baukasten von biologischen Prozessen und bauen sie aus der einen Zelle aus und in ihrem Zielorganismus wieder ein. Doch wie einfach ist das wirklich? In einem vor kurzem erschienenen Paper von acib und der BOKU in Wien wird ein solcher Prozess genauer unter die Lupe genommen.
Vom Bakterium in die Hefe – geht das wirklich?
Alle lebenden Zellen brauchen Stoffwechselwege, um zu wachsen. Diese Wege bestehen aus vielen kleinen Reaktionen, die zusammenarbeiten wie Zahnräder. Im Fall von Hefen wie Komagataella phaffii gibt es einen natürlichen Weg, um Methanol als Energiequelle zu nutzen – den sogenannten XuMP-Zyklus.
Allerdings ist dieser Weg nicht besonders effizient: Es wird vergleichsweise viel Energie (ATP) verbraucht. Bakterien dagegen haben oft einen anderen Weg, den RuMP-Zyklus, der weniger Energie benötigt.
Die Idee der Forschenden war daher recht mutig: Warum nicht einfach den effizienteren bakteriellen Stoffwechselweg in die Hefe einbauen?
Was wurde konkret gemacht?
Im beschriebenen Projekt wurde genau das versucht: Der natürliche Stoffwechselweg der Hefe wurde ausgeschaltet, stattdessen wurde der bakterielle RuMP-Zyklus eingebaut. Die Hefe musste dann vollständig mit diesem neuen „fremden“ Stoffwechsel zurechtkommen – und tatsächlich: Die neue Hefe konnte wachsen – nur mit Methanol als Energie- und Kohlenstoffquelle. Anfangs war sie zwar langsam, aber durch Optimierung und Evolution im Labor wurde sie deutlich besser.
Wie leicht ist es wirklich, Stoffwechselwege auszutauschen?
Auf den ersten Blick klingt das Ganze einfacher, als es ist. In Wahrheit braucht es mehrere Voraussetzungen:
1. Die richtigen Enzyme
Ein Stoffwechselweg funktioniert nur, wenn alle benötigten Enzyme vorhanden sind. Diese müssen korrekt produziert werden, im richtigen Zellkompartiment landen und auch miteinander funktionieren.
2. Die richtige Umgebung in der Zelle
Außerdem sind Zellen sind keine leeren Behälter. Sie haben eigene Stoffwechselnetzwerke und empfindliche Gleichgewichte (z. B. Energiehaushalt). Das heißt, ein „fremder“ Weg muss sich in dieses Netzwerk einfügen, ohne alles zu stören.
3. Energie- und Stoffbilanz muss stimmen
Der neue Weg muss genug Energie liefern und darf keine giftigen Zwischenprodukte anhäufen. Methanol ist hier besonders heikel, da Zwischenprodukte wie Formaldehyd toxisch sein können.
4. Finetuning und Evolution
Selbst wenn ein neuer Stoffwechselweg grundsätzlich funktioniert, ist er selten optimal. Deshalb wurde im Paper adaptive laboratory evolution (ALE) eingesetzt – also eine Art „kontrollierte Evolution“, um die Zelle anzupassen. Stoffwechselwege sind somit prinzipiell austauschbar, aber nur mit viel Feinabstimmung.
Warum macht man das überhaupt?
Der Nutzen ist enorm: Methanol ist ein attraktiver Rohstoff, denn es ist günstig, gut verfügbar und kann sogar aus CO2 hergestellt werden, womit Prozesse unabhängiger von Zucker oder fossilen Rohstoffen werden.
Durch den Austausch von Stoffwechselwegen können Zellen mehr Produkt herstellen, verbrauchen dabei weniger Energie, und können auch dazu gebracht werden, neue Substrate zu nutzen, was ganz im Sinne einer Kreislaufwirtschaft wäre.
Das Design neuer Stoffwechselwege eröffnet damit ganz neue Möglichkeiten für neue Medikamente, neue Materialien oder auch nachhaltige Chemikalien. Die Anwendungen zielen darauf ab, klimafreundlichere Produktionswege zu schaffen.
Unser Fazit: Man kann einen bakteriellen Motor in eine Hefezelle einbauen – aber er läuft erst richtig gut, wenn das ganze System darauf abgestimmt ist.
Picture by acib