Thema:

Blitzlicht

Biotechnologie aus dem Mittelmeer

Im Rahmen des EU-finanzierten MAMBA-Projektes fahndet ein internationales Konsortium nach neuen Enzymen für die Biokatalyse sowie mikrobiellen Aktivitäten, um bisher unbekannte Antioxidanzien und Krebswirkstoffe zu produzieren. MAMBA steht für „Marine Metagenomics for New Biotechnological Applications”. Das Projekt baut auf national und durch die EU-Rahmenprogramme finanzierten Arbeiten auf, die sich bereits mit der Erkundung katalytischer Aktivitäten mariner Mikroorganismen und Biozönosen sowie den Mechanismen des Überlebens dieser Organismen unter extremen Umweltbedingungen befassten. Das Konsortium aus Biochemikern, Genetikern, Mikrobiologen, Pharmazeuten  und Prozessingenieuren bearbeitet die noch unterschätzte Erschließung der mikrobiellen Diversität durch Metagenomics. Diese verspricht gesellschaftlich hohen Nutzen und kann einen entscheidenden Beitrag zur Weiterentwicklung der Weißen Biotechnologie sowie der pharmazeutischen Industrie leisten.

Die Mehrheit der aktuellen biotechnologischen Anwendungen sind mikrobiellen Ursprungs. Es ist allgemein anerkannt, dass die mikrobielle Welt den bei weitem größten Teil der Biodiversität der Biosphäre repräsentiert. Mikroorganismen sind deshalb auch die Hauptressource enzymatischer Diversität und für neue biotechnologische Applikationen. Marine mikrobielle Lebensgemeinschaften machen mehr als 80% des Lebens auf der Erde aus und spielen eine unverzichtbare Rolle im Primärenergie- und Kohlenstoffkreislauf. Demzufolge wird die marine biochemische und chemische Diversität als Hauptquelle für die Suche nach neuen Enzymen und Naturstoffen betrachtet. Der Einsatz traditioneller Strategien zum Auffinden von Enzymen ist allerdings dadurch limitiert, dass sich die meisten Mikroorganismen nicht kultivieren lassen.  Die erwartete enzymatische Diversität in unkultivierbaren Mikroorganismen hat zur Entwicklung neuer Genomics-basierter Methoden geführt, den sogenannten Metagenomics. Es gibt in den Metagenomics zwei verschiedene Konzepte, entsprechend ihrer primären Zielsetzung:

l das großangelegte Sequenzieren der Bulk- DNA oder von DNA-Bibliotheken zielt darauf ab, den größtmöglichen Teil genetischer Ressourcen in der Probe oder Bibliothek in einem meist Homologie-basierten Data mining zu identifizieren.

l die Konstruktion von Expressionsbibliotheken mit kleinen DNA-Fragmenten – speziell solcher in Phage l-Vektoren – zielt dagegen auf ein direktes Aktivitätsscreening ab. 

Ein klarer Nachteil des ersten Ansatzes ist es, dass er sich vollständig auf die existierende – potentiell fehlerbehaftete – Genom-Annotation verlässt. Dies begrenzt die Vorhersage von Genfunktionen auf bereits bekannte Protein- bzw. Enzymfamilien – die Entdeckung von Proteinen mit neuartigen Funktionen ist damit nicht möglich. Die gewaltigen Metagenom-Sequenzierdaten werden derzeit zum Großteil nicht zur anschließenden Entdeckung neuer Aktivitäten oder funktionellen Charakterisierung der vorhergesagten Gene des Metagenoms genutzt. Um dies zu leisten, etablieren sich derzeit weltweit Gruppen von Strukturgenomikern, deren erklärtes Ziel es ist, die Struktur zumindest eines repräsentativen Proteins der etwa 10.000 bis 15.000 Proteinfamilien aufzuklären. Gleichwohl geben die meisten Proteinstrukturen keinen eindeutigen Hinweis auf deren Funktion. Eine sinnvolle Antwort auf diese Herausforderung ist es, die Strukturaufklärung und bioinformatischen Ansätze mit einer en masse-Aktivitätsanalyse der Proteine zu kombinieren und die neuen Aktivitäten in biotechnologische Anwendungen einzuschleusen.

Projektziele

MAMBA zielt darauf ab, Enzyme und Stoffwechselwege extremophiler Mikroorganismen und die Metagenome mikrobieller Lebensgemeinschaften außergewöhnlicher mariner Lebensräume zu erkunden und neu identifizierte enzymatische Reaktionen in biotechnologischen Anwendungen umzusetzen. Das Projekt baut dabei auf der wissenschaftlich-technologischen Expertise seiner Partner aus Forschung und Industrie auf. Darüber hinaus setzt MAMBA auf die Anwendung hochmoderner Technologien zur Archivierung, zum molekularen Aktivitätsscreening, zur Proteinstrukturaufklärung, Enzymengineering und gerichteten Evolution, um neue biotechnologische Prozesse  und Biokatalysatoren zur Synthese von Feinchemikalien zu etablieren.

Um die ganze Breite des marinen mikrobiellen Lebens abzubilden, werden Proben an marinen Hotspots gesammelt und unlängst sequenzierte Genome genutzt. Gleich zweierlei Nutzen verspricht dabei die Erforschung an den Grenzen des Lebens, also an hypersalinen Standorten, in sehr kalten oder heißen Biotopen sowie das Leben unter hohem Druck oder niedriger Wasseraktivität: Sie verbessert einerseits das Verständnis der Mechanismen, die das Überleben der Mikroorganismen unter extremen Bedingungen sichern, ist zugleich aber hochrelevant für das Auffinden industriell nutzbarer neuer Enzyme.

Im Rahmen des MAMBA-Projekts steht das aktivitätsbasierte Screening im Fokus. Es ermöglicht, individuelle, mit ihren Substraten interagierende Enzyme zu identifizieren. Neue Enzyme werden produziert, kristallisiert und strukturaufgeklärt. Die vielversprechendsten Kandidaten werden auf Aktivität gegenüber einer Vielzahl chiraler und nicht-aktivierter biokatalytisch relevanter Substrate getestet, und ihre Fähigkeit, in wasserfreien Systemen zu arbeiten, wird geprüft.

Methoden der gerichteten und der ungerichteten Evolution werden angewandt, um beispielsweise die Aktivität oder die Spezifität der Enzyme zu verbessern (vgl. Abb. 1). Angemerkt sei hier, dass innerhalb des Projektes auch moderne bioinformatische Methoden zum Einsatz kommen: Eine umfassende bioinformatische Analyse entlang des gesamten Stammbaums zellulären Lebens soll Kandidaten in weiteren Organismen ermitteln, die Homologie zu den neuentdeckten Proteinen aufweisen – diese sollen kloniert und auf Funktionalität  getestet werden (Abb. 2). 

Die Implemienterung der neuen Enzyme in biotechnologische Prozesse erfolgt in Kooperation mit kompententen Partnern aus der Industrie. Wir erwarten nicht nur einen Quantensprung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und Spezifität neuer biotechnologischer Prozesse, sondern auch die Etablierung einer neuen Technologieplattform, um die noch unentdeckte marine Protein-Diversität zu erforschen. 

Projekt-Highlights

Seit dem Projektstart im Jahr 2009, hat das MAMBA-Konsortium einige hundert Proteine und niedermolekulare Substanzen identifiziert und charakterisiert, die ein hohes Potential in den folgenden Applikationen haben: 

l Synthese von Feinchemikalien und biochemische Reaktionen mit Relevanz für die Pharma-Industrie

– Ester zu Amiden (Lipasen, Amidasen)

– Redoxreaktionen (Aldolasen und Oxidoreductasen)

– Aktivierung von OH-Gruppen (Aldolasen)

– Hydroxylierungen (Mono-/Dioxygenasen)

– Lipidmodifikationen: Spezifische Umesterungen (Lipasen)

l Lebensmittelverarbeitende Enzyme (Brot, Wein etc./Amylasen)

l Textilverarbeitung: Enzyme aus aus halophilen Organismen zur enzymatischen Textilbehandlung (Baumwolle, Polyester usw., Laccasen/Cellulasen, Hemicellulasen)

l Detergenzien: Enzyme mit höherer Stabilität (Proteasen)

l Energie

– Biomasse-Konversion  (b-Glucosidasen)

– Enzymatische Brennstoffzellen (Laccasen und Hydrogenasen)

l Polymere

– Monomer-Epoxidierung (Epoxidasen)

– Polyester-Synthese (Lipasen, Esterasen)

l Umwelt

– Enzyme aus Extremophilen (aktiv bei tiefen Temperaturen und hohen Salzkonzentrationen für Entfärbungen/Laccasen, Peroxidasen)

– Dekontamination (Esterasen, Mono- und Dioxygenasen, Dehalogenasen)

l Medizinisch relevante industrielle Prozesse

– Antioxidanzien mit pharmakologischen Eigenschaften

– Wirkstoffe gegen Darm-, Lungen- und Brustkrebs.

Die Beteiligung der Industriepartner Pierre Fabre SAS (Paris), evocatal GmbH (Düsseldorf) und PharmaMar S.A. (Madrid) gewährleistet eine unmittelbare Übertragung akademischen Know-hows in Produkte, die relevant für die Hautpflege, Lebens- und Futtermittelproduktion und Feinchemikaliensynthese für medizinische Anwendungen sind.

Literatur

[1] Beloqui A, Polaina J, Vieites JM, Reyes-Duarte D, Torres R, Golyshina OV, Chernikova TN, Waliczek A, Aharoni A, Yakimov MM, Timmis KN, Golyshin PN, Ferrer M. (2010). CHEMBIOCHEM 11(14):1975-1978.
[2] Ferrer M, Beloqui A, Golyshin PN. (2010) Methods Mol Biol. 668:189-202.
[3] Fernández-Arrojo L, Guazzaroni ME, López-Cortés N, Beloqui A, and Ferrer M. (2010). Curr Opin Biotechnol. 21:725-733.
[4] Ferrer M., Werner J., Chernikova T.N., Bargiela R., Fernández L., La Cono V., Waldmann J., Teeling H., Golyshina O.V., Glöckner F.O., Yakimov M.M., Golyshin P.N.; MAMBA Scientific Consortium. (2012). Environ Microbiol. 14:268-281. 
[5] Golyshina O.V. (2011) Appl Environ Microbiol. 77:5071-5078. 
[6] La Cono, V., Smedile, F., Bortoluzzi, G., Arcadi, E., Maimone, G., Messina, E., Borghini, M., Oliveri, E., Mazzola, S., L’Haridon, S., Toffin, L., Genovese, M., Ferrer, M., Giuliano, L., Golyshin, P.N., and Yakimov M.M. 2011. Environ Microbiol 13:2250-2268. 
[6] Lemak S., Tchigvintsev A., Petit P., Flick R., Singer A.U., Brown G., Evdokimova E., Egorova O., Gonzalez C., Chernikova T.N., Yakimov M.M., Kube M, Reinhardt R, Golyshin P.N., Savchenko A., Yakunin A.F. 2012. Biochem J. 445:193-203.
[7] Röling WF, Ferrer M, Golyshin PN. (2010) Curr Opin Biotechnol. 21(4):532-538. 
[8] Stock A, Breiner HW, Pachiadaki M, Edgcomb V, Filker S, La Cono V, Yakimov MM, Stoeck T. (2012). Extremophiles. 16(1):21-34. 
[9] Troeschel S.C., Thies S., Link O., Real C.I., Knops K., Wilhelm S., Rosenau F., Jaeger K.E. (2012). J Biotechnol. (in press, PMID:22440389)
[10] Vieites JM, Guazzaroni ME, Beloqui A, Golyshin PN, and Ferrer M (2010) Methods Mol Biol. 668:1-37.
[11] Yakimov, M.M., La Cono, V., Smedile, F., Ferrer, M., De Luca, T.H., Juarez, S., Ciordia, S., Albar, J.P., Golyshin, P.N. and Giuliano, L. 2011. C ISME Journal 5:945-961.

Korrespondenzadresse

Prof. Dr. Frank Oliver Glöckner
Microbial Genomics and Bioinformatics
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie
Jacobs University Bremen GmbH
fog[at]mpi-bremen.de

Mehr zum Spezial

Magazin zum Thema


Heft 3/2012

© 2007-2017 BIOCOM

http://www.laborwelt.de/spezialthemen/funktionsgenomik/marine-biotechnologie.html

Alle Themen

SpezialThemen

Produkt der Woche

Alle Produkte

Kalender

Alle Events

Partner-Events

Glasgow (UK)

DIA BioVenture Day

Istanbul (TR)

expomed eurasia