10.06.2021 - University of Warwick

Effizientes "Anschalten" von Bakterien zur Produktion hochwertiger Chemikalien

Forscher haben einen kostengünstigen Weg gefunden, Bakterien in den chemischen Produktionsmodus zu schalten

Hochwertige Chemikalien, die in Biokraftstoffen und Pharmazeutika verwendet werden, können aus Bakterien hergestellt werden, indem man ihre Chemie umschaltet, um neuartige Produkte herzustellen. Forscher der University of Warwick haben einen Weg gefunden, die Kosten für das Einschalten dieser Schalter drastisch zu senken.

Wir verwenden Chemikalien für fast alles, von Lebensmittelkonservierungsmitteln über Pharmazeutika und Kosmetika bis hin zu Biokraftstoff. Viele davon sind petrochemische Derivate, und ihre Synthese ist daher nicht nachhaltig. Daher ist es wichtig, nach alternativen Wegen zu suchen, um Chemikalien in industriellem Maßstab nachhaltig und kostengünstig herzustellen - und so den Weg in eine grünere, sauberere Zukunft zu ebnen.

Bakterien können als mikrochemische Fabriken der Natur betrachtet werden, und viele Forscher versuchen zu verstehen, wie ihr komplexes Netzwerk chemischer Reaktionen neu verdrahtet werden kann, um billige Ausgangsstoffe wie Glukose in nützliche chemische Produkte für unseren Gebrauch umzuwandeln. Die Verwendung von genetischen Schaltern, um die Chemie der Bakterien umzusteuern, ist eine aufregende Entwicklung auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie.

Normalerweise werden genetische Schalter durch Zugabe einer Chemikalie, eines sogenannten Induktors, eingeschaltet. Induktoren sind jedoch teuer und müssen oft ständig zugegeben werden, um ein Zurückschalten zu verhindern, analog zu einem "Lichtschalter mit einer Feder darin", der sich wieder ausschaltet, wenn man ihn loslässt. Das macht diesen Schaltansatz teuer und damit die Skalierung auf die industrielle Produktion wirtschaftlich undurchführbar.

In der Arbeit "Designing an irreversible metabolic switch for scalable induction of microbial chemical production", die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, haben Forscher der School of Engineering an der University of Warwick einen kostengünstigen Weg gefunden, Bakterien in den chemischen Produktionsmodus zu schalten.

Unter der Leitung von Dr. Ahmad A. Mannan und Professor Declan G. Bates vom Warwick's Integrative Synthetic Biology Centre an der School of Engineering wurde in neuen theoretischen Forschungen untersucht, wie Biosensoren von E. coli, die auf billige natürliche Nährstoffe wie Ölsäure reagieren, für die Herstellung von Schaltern genutzt werden können. Unter Verwendung mathematischer Modelle und der ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien von Rückkopplungsregelkreisen, die häufig in Flugsteuerungssystemen verwendet werden, entdeckten sie, wie man einen genetischen Schalter in Bakterien entwerfen kann, der die umkehrende "Feder" beseitigt, so dass die Zelle nur durch Hinzufügen eines Pulses eines billigen natürlichen Nährstoffs dauerhaft in den chemischen Produktionsmodus geschaltet werden kann - was die Kosten drastisch senkt.

Dr. Ahmad Mannan vom Warwick's Integrative Synthetic Biology Centre an der School of Engineering kommentiert: "Die Fähigkeit, Bakterien dauerhaft in den chemischen Produktionsmodus zu schalten, ist ein gewaltiger Schritt vorwärts auf dem Weg zu einer wirtschaftlich tragfähigen Maßstabsvergrößerung der chemischen Produktion aus Mikroben. Der Schalter sollte auf viele industriell relevante Mikroben und für die Synthese fast jeder Chemikalie anwendbar sein - eine vielseitige Komponente im Werkzeugkasten der Synthetischen Biologie. Die nächsten Schritte unserer Forschung würden darin bestehen, die Prinzipien aufzudecken, um zu verstehen, an welcher Stelle in der chemischen Roadmap diese "Ampel" angewendet werden kann, und vielleicht eine Zusammenarbeit mit der Industrie anzustreben, wo sie leicht in bestehende Fermentationsprozesse integriert werden könnte."

Professor Declan Bates, vom Warwick's Integrative Synthetic Biology Centre an der School of Engineering, fügt hinzu: "Unter Verwendung modernster Techniken der synthetischen Biologie hat unsere Arbeit den Rahmen für die Konstruktion des vorgeschlagenen irreversiblen Schalters im Labor abgesteckt. Unsere Arbeit könnte nicht nur die Art und Weise verändern, wie die chemische Industrie hochwertige Chemikalien herstellt, sondern sie trägt auch zu einer größeren Vision bei, wie die Menschheit von der Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Ressourcen wegkommen und eine nachhaltige Synthese von Biochemikalien für eine grünere und sauberere Zukunft ermöglichen kann."

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