Bakterien – vielfältig nutzbar als mikrobielle Zellfabriken

Bakterien können einfache Moleküle wie Zucker oder Alkohole als Nährstoffe aufnehmen und daraus mit Hilfe ihrer Enzymmaschinerie sämtliche für den grundlegenden Zellstoffwechsel nötigen Bausteine, die sog. Primärmetabolite, herstellen. Darüber hinaus können sie wie Pflanzen viele verschiedene oftmals art-spezifische Sekundärmetabolite synthetisieren. Diese sind komplexere Moleküle, die spezielle Aufgaben jenseits des Grundstoffwechsels erfüllen. Aufgrund dieser speziellen Funktionen, wie z. B. der Abwehr von konkurrierenden Organismen, sind sie häufig höchst wertvoll, etwa als Antibiotika für den Menschen. Die Gewinnung solcher Sekundärmetabolit-basierten Wert- und Wirkstoffe direkt aus den natürlichen Produzenten ist oft nur eingeschränkt möglich, daher besteht ein zunehmend größerer Bedarf, für diesen Zweck geeignete Bakterienstämme als Designer-Fabriken zu etablieren.
Durch den gezielten Transfer von DNA, die genetische Informationen zur Biosynthese wertvoller Sekundärmetabolite trägt, in verschiedenste Mikroorganismen, wie z. B. Escherichia coli, Rhodobacter capsulatus und Pseudomonas putida, konnten bereits zahlreiche wertvolle Metabolite hergestellt werden (Abbildung 1, Liebl et al., 2014; Loeschcke & Thies 2015). Ein Beispiel hierfür ist die Synthese des antimikrobiellen Pigments Prodigiosin in P. putida (Loeschcke et al., 2013, Domröse et al., 2015).

Im Rahmen der CEPLAS research areas C und D ergeben sich für solche gezielt konstruierten Zellfabriken vielfältige Anwendungsmöglichkeiten (Abbildung 2). Sie ermöglichen die Entdeckung und Aufklärung neuer bakterieller und pflanzlicher Sekundärmetabolit-Biosynthesewege und die Produktion dieser Stoffe zu deren Studium und Anwendung. Mögliche Anwendungen bestehen z.B. im nachhaltigen Pflanzenanbau, da einige dieser Metabolite dafür bekannt sind, Pflanzen zu besserem Wachstum zu verhelfen. Dies kann durch verschiedene Mechanismen geschehen. So können beispielsweise bestimmte Metabolite direkt als Signalmoleküle ein verstärktes Pflanzenwachstum bewirken oder auch indirekt das Wachstum von Kulturpflanzen durch Inhibierung von Pflanzenschädlingen oder durch positive Beeinflussung des Pflanzen-Mikrobioms unterstützen.

Beitrag von Anita Loeschcke, Institut für Molekulare Enzymtechnologie, HHU/FZJ

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Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Zugehörige Publikationen

Loeschcke A, Thies S (2015) Pseudomonas putida-a versatile host for the production of natural products. Applied microbiology and biotechnology 99(15):6197-6214. [Abstract]

Domrose A, Klein AS, Hage-Hulsmann J, Thies S, Svensson V, Classen T, Pietruszka J, Jaeger KE, Drepper T, Loeschcke A (2015) Efficient recombinant production of prodigiosin in Pseudomonas putida. Frontiers in microbiology 6:972. [Abstract]

Liebl W, Angelov A, Juergensen J, Chow J, Loeschcke A, Drepper T, Classen T, Pietruszka J, Ehrenreich A, Streit WR, Jaeger KE (2014) Alternative hosts for functional (meta)genome analysis. Applied microbiology and biotechnology 98(19):8099-8109. [Abstract]

Loeschcke A, Markert A, Wilhelm S, Wirtz A, Rosenau F, Jaeger KE, Drepper T (2013) TREX: a universal tool for the transfer and expression of biosynthetic pathways in bacteria. ACS synthetic biology 2(1):22-33. [Abstract]

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich