30.08.2021 - Northwestern University

Verwendung von Hefe zur Entwicklung alternativer petrochemischer Prozesse

Die Integration von Zelltechnik und zellfreier Biosynthese könnte zu effizienten Wegen zur Energieversorgung führen

Da der Klimawandel unserem Planeten immer mehr Schaden zufügt, arbeiten Wissenschaftler daran, effizientere und sauberere Wege zur Energieversorgung der Erde zu finden. Eine attraktive Alternative zu den üblichen petrochemischen Verfahren, die erhebliche Treibhausgase und andere Abfallprodukte erzeugen, könnten biologische Systeme sein.

Jüngste Arbeiten von Michael Jewett von Northwestern Engineering und Forschern der University of Texas in Austin haben zu einem besseren Verständnis der biochemischen Prozesse und zu höheren Raten der chemischen Produktion durch biologische Systeme geführt. Die Ergebnisse könnten uns der Umsetzung nachhaltiger Alternativen zur Synthese von Materialien, Kraftstoffen und anderen aus Erdöl gewonnenen Produkten näher bringen.

Der Artikel "An Integrated In Vivo/In Vitro Framework to Enhance Cell-Free Biosynthesis with Metabolically Rewired Yeast Extracts", der am 26. August in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, beschreibt die Entwicklung optimierter In-vitro-Biosyntheseprozesse (biochemische Produktion) unter Verwendung von Zellextrakten aus manipulierten Stämmen von Saccharomyces cerevisiae (Bierhefe). Neben Jewett, Walter P. Murphy Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der McCormick School of Engineering, wurde die Arbeit von Blake Rasor, einem Doktoranden in Jewetts Labor, verfasst. Die Untersuchung wurde in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Hal Alper, einem Professor an der University of Texas in Austin, durchgeführt.

Die Arbeit wurde durch das Emerging Technologies Opportunity Program (ETOP) des US Department of Energy Joint Genome Institute unterstützt. Das ETOP stellt Mittel für die Entwicklung neuer Technologien bereit, die Forschern auf der ganzen Welt angeboten werden, die die Nutzerprogramme des JGI nutzen, um Energie- und Umweltanwendungen voranzubringen.

Jahrzehntelange Stoffwechselstudien und die Entwicklung genetischer Werkzeuge machen S. cerevisiae zu einem hochgradig kontrollierbaren System für die biochemische Produktion. Über die historischen Anwendungen beim Backen und Brauen hinaus wurde diese Hefe zur Produktion unzähliger Zielmoleküle für industrielle und therapeutische Anwendungen entwickelt.

Bei zellulären Produktionssystemen gibt es jedoch ein internes Tauziehen zwischen der Herstellung von mehr Zellen und der Herstellung des manipulierten Produkts. Jewetts Gruppe umgeht diese Wachstums- und Lebensfähigkeitseinschränkungen, indem sie die biologische Maschinerie aus den Zellen herausbricht und das extrahierte Material für zellfreie biochemische Reaktionen verwendet, was die Optimierung von Hebeln ermöglicht, die in lebenden Zellen nicht einfach eingestellt werden können.

Bisher wurden bei der zellfreien Biosynthese mit rohen Zellextrakten hauptsächlich unveränderte E. coli-Stämme verwendet. Die Forscher erweiterten den Anwendungsbereich dieser Technik durch die Verwendung von Extrakten aus S. cerevisiae und durch die Einbeziehung zellulärer Stoffwechseltechniken, um das biosynthetische Potenzial der zellfreien Reaktionen zu verbessern. Dies zeigt, dass durch die Umstellung des Stoffwechsels in den Zellen Extrakte mit einer höheren volumetrischen Leistung erzeugt werden als Wildtyp-Extrakte (unverändert) und die entsprechenden Zellkulturen.

Insbesondere die zellfreie Produktion von drei chemischen Produkten (Butandiol, Glycerin, Itaconsäure) mit einer bis zu 10-mal schnelleren Rate als bei entsprechenden zellulären Ansätzen zeigt die Flexibilität und Wirksamkeit der Integration von zellulärem Engineering mit zellfreier Biosynthese.

"Dies könnte die Bandbreite der biologischen Plattformen erweitern, die die Bemühungen um Nachhaltigkeit unterstützen", sagte Rasor.

"Unsere Arbeit fügt sich in einen aufstrebenden Wissenschaftsbereich ein, der versucht, zellfreie Systeme aus rohen Zellextrakten für das Design zellulärer Funktionen, die Bioproduktion auf Abruf und tragbare Diagnostik zu nutzen", sagte Jewett, Direktor des Zentrums für Synthetische Biologie. "Diese Bemühungen erweitern die Definition der Bioproduktion, um eine nachhaltige Bioökonomie aufzubauen."

Was die nächsten Schritte anbelangt, so bauen Jewett und seine Mitarbeiter auf dieser Arbeit auf, sowohl für das Prototyping von Stoffwechselwegen im Kontext eines veränderten Stoffwechsels als auch für die zellfreie Bioproduktion zur Ergänzung der derzeitigen zellbasierten Ansätze.

"Die Ausweitung der Strategie des integrierten zellulären/zellfreien Stoffwechsel-Engineerings auf Hefestämme, die andere biochemische Produkte mit Mehrwert produzieren, und die Vergrößerung des Umfangs zellfreier Reaktionen könnte die Entwicklung nachhaltiger, wirtschaftlich tragfähiger Alternativen zu den derzeitigen chemischen Produktionsverfahren anführen", sagte er.

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