Biotechnologie 08.09.2006, 19:23 Uhr

Auf dem Weg zur gläsernen Zelle  

die gläserne Zelle. Ein ehrgeiziges Projekt zur Systembiologie führte jetzt Biologen, Informatiker und Mathematiker sowie System- und Ingenieurswissenschaftler an einem Tisch zusammen.

Neben grundsätzlichen Erkenntnissen zu den Stoffwechselvorgängen wollen wir natürlich unsere Herstellungsprozesse verbessern und die Ausbeuten an Aminosäuren erhöhen“, erläutert Dr. Ralf Kelle, im Geschäftsbereich Feed Additives der Degussa AG für die biotechnologische Forschung zuständig.

Unter Leitung von Degussa und gefördert vom Bundesforschungsministerium wurde ein einzigartiges Projekt zur Systembiologie von Mikroorganismen ins Leben gerufen. Im Mittelpunkt steht ein Bakterium, das in den Bioreaktoren der Degussa bereits fleißig Aminosäuren als Futtermittelzusatz oder für die Pharmaentwicklung produziert: das Corynebacterium glutamicum.

Beteiligt an dem Vorhaben mit dem etwas hölzernen Titel „Systemorientierte Analyse des Zentralstoffwechsels mikrobieller Aminosäureproduzenten“ (SysMAP) sind vor allem das Forschungszentrum Jülich, die Universität Bielefeld und die Firma Genedata (Basel und Martinsried) sowie fünf weitere deutsche Universitäten. Benötigt werden Mittel von etwa 5 Mio. € über drei Jahre, von denen Degussa 60 % trägt.

Von dem Projekt erhoffen sich die Beteiligten künftig eine Spitzenstellung Deutschlands bei der industriellen Anwendung der Systembiologie.

Dieser noch junge Zweig der Life Sciences wagt den ganzheitlichen Blick auf die Dynamik biologischer Systeme. Hat man erst einmal die physiologischen Vorgänge verstanden, die in einer lebenden Zelle ablaufen, kann man daraus auch realitätsnahe Modelle von Zellverbänden oder gar von einem ganzen Organismus ableiten. Und diese ließen sich dann über eine gezielte Gewinnung etwa von Feinchemikalien zu barem Geld machen.

Zugute kommt den Forschern das enorme Wissen, das unter anderem auch im Zuge der ehrgeizigen Erbgutanalysen weltweit zur Verfügung gestellt wurde. Doch um die Vorgänge in den Zellen und Organismen in ihrer Gesamtheit zu verstehen, ist eine intensive Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen Biologie, Informatik und Mathematik sowie System- und Ingenieurswissenschaften unerlässlich.

Ähnlich wie bei der Wettervorhersage, die dank der enormen Leistungssteigerung bei Computern immer bessere Prognosen ermöglicht, könnte sich ein alter Forschertraum erfüllen – die Simulation ganzer lebender Systeme oder, knapp gesagt: die gläserne Zelle.

„Die Systembiologie ist die entscheidende Methodik für die nächsten Jahrzehnte“, prophezeit auch Prof. Alfred Pühler vom Institut für Genomforschung der Uni Bielefeld. Dabei ist das Bodenbakterium Corynebacterium ein guter alter Bekannter, der zu den bewährten Arbeitspferden bei der industriellen Herstellung von Aminosäuren zählt.

Im Mittelpunkt des Projekts steht der Citrat- oder Zitronensäurezyklus. Dieser biochemische Kreislauf findet in jeder lebenden Zelle statt und gewährleistet die Energieversorgung und die Bereitstellung lebenswichtiger Stoffwechselprodukte. Das Wissen um diese Prozesse würde die Herstellung der unterschiedlichsten biotechnologischen Produkte vereinfachen.

„Dieser Zyklus ist die entscheidende Drehscheibe im Stoffwechselgeschehen von hieraus fahren alle ¿Züge¿ in Richtung biobasierte Chemikalien ab“, erklärt Prof. Christian Wandrey vom Forschungszentrum Jülich die enorme Bedeutung des Vorhabens für die Weiße Biotechnologie.

Mittelfristig soll das Projekt einen zusätzlichen Know-how-Schub bei der industriellen Anwendung des Bodenbakteriums ermöglichen – eine Strategie, die angesichts der globalen Herausforderung sinnvoll und notwendig ist. „Die Vorteile asiatischer Wettbewerber bei den Fixkosten können nur durch einen technologischen Vorsprung vor allem bei Energie- und Rohstoffverbrauch kompensiert werden“, prognostiziert Kelle.

Noch hinkt die industrielle Ausbeute an Lysin, Threonin und anderen Aminosäuren weit hinter den theoretisch möglichen Werten her. Derzeit lassen sich bezogen auf den eingesetzten Rohstoff nur etwa 40 % bis 50 % erzielen, obwohl je nach Produkt weit über 70 % drin wären.

Das liegt daran, dass die optimalen Lebensbedingungen für die fleißigen Arbeiter im Reagenzglas oder Produktionsfermenter noch immer nicht exakt erkannt sind. Erst wenn die äußere Umgebung deren „innere“ Bedürfnisse berücksichtigt, kann auch die Ausbeute steigen.

„Degussa hat ein Produktionsvolumen von über 100 000 t fermentativ hergestellten Aminosäuren pro Jahr, da wäre eine Ausbeutesteigerung von wenigen Prozent schon sehr viel“, betont Kelle.

Wenn die Kleinstlebewesen im Fermenter dazu bewegt werden könnten, mehr gewünschte Stoffe zu produzieren, verringern sich gleichzeitig die Aufwendungen für Abwasser, Abfall und Energie. Zudem ergeben sich für das Unternehmen eine vereinfachte Verfahrensführung und geringere Produktverluste in der Aufarbeitung der Fermentationsbrühe. Dieser Vorsprung würde sich gerade im Wettbewerb mit den schnell wachsenden Konkurrenten aus Fernost rasch bezahlt machen.

Langfristigere Ziele: Hat man einmal die Vorgänge in einer Zelle besser verstanden, könnte man gegebenenfalls auch flexibel auf Veränderungen an den Rohstoff- und Energiemärkten reagieren und auch die Entwicklungszeiten für neue Produkte könnten sich signifikant verkürzen. Zudem ließen sich bei ansonsten identischen Bakterienstämmen durch gezielte Manipulationen Substanzen herstellen, die in sehr unterschiedlichen Mengen benötigt werden. Das gilt zum Beispiel für hoch spezialisierte Arzneimittelbausteine oder für Futtermittelzusätze im Tonnenmaßstab. Ein derartiger Spagat wird nur durch den systembiologischen Ansatz gelingen. KLAUS JOPP/ber

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