31 Januar 2011

Technische Universität Braunschweig – Synthetische Mikroorganismen nach Maß

Biotechnologie findet neue Wege zur Gewinnung von Diaminopentan und Bernsteinsäure

Das Institut für Bioverfahrenstechnik der Technischen Universität Braunschweig ist im Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe in zwei Projekten aktiv beteiligt. Diaminopentan und Bernsteinsäure können mit optimierten Mikroorganismen produziert werden und bieten so der Industrie die Basis für neue Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen.

Maßgeschneiderte Zellfabriken zu erstellen, ist eines der Ziele des Instituts für Bioverfahrenstechnik (ibvt) der Technischen Universität Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr. Christoph Wittmann. Der Biotechnologe kann auf eine große Erfahrung auf dem Gebiet zurückgreifen, denn schon während seiner Promotion widmete er sich dem Thema: “Schon damals hat mich das komplexe Innenleben von Mikroorganismen begeistert und ich habe früh danach gesucht, wie es sich in gewünschter Weise für die Biotechnologie ändern lässt”, berichtet Wittmann, der für seine Arbeiten 2005 den Young Scientist Award der Europäischen Biotechnologie Vereinigung erhielt. Nach seiner Habilitation an der Universität des Saarlandes und einer Zwischenstation an der Universität Münster folgte er 2008 dem Ruf zurück nach Braunschweig.

Wichtige Forschungsaktivitäten am ibvt umfassen den gezielten Einsatz von Mikroorganismen für die nachhaltige Produktion von biobasierten Chemikalien und Materialien. Dabei ist es besonders wichtig, dass das ibvt interdisziplinär aufgestellt ist. “Wir sind ein Brückeninstitut zwischen Lebens- und Ingenieurwissenschaften”, sagt Professor Wittmann. Das 50-köpfige Wissenschaftlerteam am ibvt vereint Expertisen aus den Fachgebieten Bioverfahrenstechnik, Biotechnologie, Bioingenieurwesen, Verfahrenstechnik, Biologie, Molekularbiologie und Chemie.

“Wir versuchen zunächst mit Hilfe von systembiotechnologischen Methoden aufzuklären, wie der Stoffwechsel funktioniert”, erklärt Wittmann. Dabei kommen neue Methoden wie die metabolische Flussanalyse zum Einsatz. Professor Wittmann vergleicht den Vorgang mit einer Stadt: “Wir beobachten die Stadt und deren Verkehrfluss sozusagen von oben, verfolgen die Menschen auf ihrem Weg zur Arbeit und ob Baustellen den Verkehr aufhalten. Ähnlich schauen wir in die Zellen hinein, beleuchten die vielen Stoffwechselwege und verstehen so, welche Wege die Zelle benutzt, um etwas zu produzieren.”

Die Wissenschaftler am ibvt können anschließend den Stoffwechsel durch gezielte genetische Modifikation der Mikroorganismen umleiten (Metabolic Engineering), so dass die gewünschten Metabolite mit einer hohen Ausbeute produziert werden. Nachdem der optimale Stamm im Labor kreiert wurde, optimieren die ibvt-Ingenieure die Verfahrenstechnik des Fermentationsprozesses so, dass sich eine bestmögliche Bioproduktion entwickelt – fit für den industriellen Einsatz.

Gezeigt haben die Forscher des ibvt dies erst kürzlich an zwei Arbeiten mit Corynebacterium glutamicum. Lysin, das seit den 70er Jahren durch Fermentation produziert wird, wird als Futtermittelzusatz mit etwa 1.000.000 Tonnen pro Jahr verwendet. Die bisher mit Zufallsmutagenese hergestellten Stämme haben den Nachteil, dass sie sehr viele negative Mutationen enthalten und somit sehr stressempfindlich sind und langsam wachsen. Mit Hilfe systembiologischer Methoden konnten die Wissenschaftler nun ein maßgeschneidertes Corynebacterium bauen, das nur noch zwölf Mutationen im Genom hat. Das Bakterium produziert 120 g Lysin pro Liter Kultur in 24 Stunden. “Ein enormer Fortschritt, auf den wir sehr stolz sind”, so Wittmann.

Durch weitere Mutationen ist es den Wissenschaftlern gelungen, die Zellen so zu programmieren, dass Lysin in Diaminopentan umgewandelt wird. Diaminopentan, das als Grundbaustein für innovative biobasierte Polyamide interessant ist, wird von den modifizierten Zellen mittlerweile mit 80 g pro Liter in kurzer Zeit produziert.

In einem Verbundprojekt des Clusters Biopolymere/Biowerkstoffe konnte das ibvt zusammen mit seinen Partnern BASF SE, Daimler AG, Robert Bosch GmbH und fischerwerke GmbH & Co. KG ein für die Industrie geeignetes Biopolyamid erstellen. Das innovative Biopolyamid PA5.10 kam bereits in Dübeln der Unternehmensgruppe fischer zum Einsatz. “Das Polyamid wurde im normalen Produktionszyklus eingesetzt und sozusagen auf Herz und Nieren geprüft”, berichtet Wittmann.

In einem weiteren Verbundprojekt im Cluster arbeiten die ibvt-Forscher um Wittmann mit der BASF SE zusammen, um Biobernsteinsäure herzustellen, ebenfalls eine interessante Plattformchemikalie mit vielen Anwendungsmöglichkeiten. “Und hier sind die Zukunftsaussichten sehr gut”, so Wittmann. Bernsteinsäure kann für die Herstellung von Butandiol, Tetrahydrofuran oder auch Polyestern verwendet werden. Gemeinsam mit dem Partner BASF SE setzt das ibvt erneut auf nachwachsende Rohstoffe. Christoph Wittmann weiß, dass das Interesse an nachhaltigen Produkten unheimlich groß ist. “Wir finden uns auf dem Weg zu einer biobasierten Gesellschaft”, so der Biotechnologe.

In diesen zukunftsträchtigen Modellprojekten des Clusters wurde erfolgreich demonstriert, wie man petrochemische Prozesse durch nachhaltige Bioprozesse ersetzen kann. Im Bereich der Massenchemikalien ist allerdings der Preis laut Wittmann nach wie vor der Knackpunkt. “Es ist jedoch wichtig, dass wir technologisch vorangehen und zeigen, dass so etwas überhaupt möglich ist”, berichtet Wittmann.

Die Systembiotechnologie wird am ibvt auch im Bereich der Wirkstoffe groß geschrieben. Im SFB 578 “Integration gen- und verfahrenstechnischer Methoden zur Entwicklung biotechnologischer Prozesse – Vom Gen zum Produkt” sowie im SFB TR-51 “Systembiologie mariner Mikroorganismen” werden Produkte mit therapeutischer Wirkung, wie Antikörper, Knochenwachstumsfaktoren oder Antibiotika synthetisiert.

Source: Bio Pro, 2010-01-31.

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