Greulich, Simon (2024)
Optimierung der Astaxanthin-Synthese in Synechococcus sp. PCC7002 unter Zuhilfenahme synthetischer Biologie.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027857
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Weil fossile Rohstoffe endlich sind und deren Nutzung negativ auf den immer schneller voranschreitenden Klimawandel wirkt, ist es wichtig Alternativen zu finden. Eine derzeit schon genutzte Lösung stellen Produktionslinien gestützt auf Mikroorganismen dar. Diese benötigen jedoch Zucker für ihr Wachstum und die damit verbundene Produktion der gewünschten Güter. Zudem erzeugt der Metabolismus dieser Zellen CO2 im Unterschied zu photosynthetisch aktiven Mikroorganismen. Diese benötigen keinen Zucker für ihr Wachstum und produzieren darüber hinaus Sauerstoff. Eine klimaneutrale oder sogar klimapositive Produktion ist so möglicherweise erreichbar. Entsprechend werden Cyanobakterien derzeit intensiv erforscht. Sie sollen als Produktionsplattform für die Synthese verschiedenster Substanzen verwendet werden. Darunter sind Feinchemikalien, Medikamente oder Biotreibstoff. Jedoch scheitern viele dieser Ansätze derzeit an der zu geringen Ausbeute. Hier spielen die kostenintensive Ernte und Aufreinigung eine wichtige Rolle. Auch die Synthese von Astaxanthin ist aus diesem Grund oft nicht rentabel, obwohl die Substanz hochpreisig gehandelt wird und in der Pharma-, Lebensmittel- oder Kosmetikindustrie wegen starker antioxidativer Eigenschaften gefragt ist. Synechococcus sp. PCC7002 kann den Astaxanthin-Vorläufer β-Carotin produzieren, aber nicht Astaxanthin. Jedoch ist dieses Cyanobakterium leicht genetisch zu modifizieren und weist ein extremes Wachstum, mit einer minimalen Verdopplungszeit von 2,6 Stunden, auf. Unter Verwendung eines synthetischen Ketolase- und eines synthetischen Hydroxylase-Gens gelang die Modifizierung des Carotin-Stoffwechsels. Der Organismus war nun in der Lage Astaxanthin zu synthetisieren. Der zelluläre Gesamtgehalt an Astaxanthin wurde durch die Überexpression der intrinsischen Phytoen-Synthase weiter erhöht. Bei den Versuchen der Modifizierung des Carotinoid-Stoffwechsels zeigte sich, dass es mehr Regulationsmechanismen gibt als derzeit in der wissenschaftlichen Literatur bekannt sind. Darüber hinaus stellten sich gewisse durch die wissenschaftliche Literatur begründete Annahmen als falsch heraus. Bezüglich der Lösung des Problems der kostenintensiven Ernte und Extraktion, ermöglichte die Expression eines E. coli-ABC-Transporter den Export von Astaxanthin. Zugleich verringert dies die intrazelluläre Produktakkumulation. Auf diese Weise wurde die Synthese weiter gesteigert. Aus dem Kulturmedium können dann erhebliche Mengen Astaxanthin zurückgewonnen werden, ohne dass es einer Zerstörung der Zellen bedarf. Insgesamt ermöglichen die erzielten Erfolge, allen voran durch die erstmalige erfolgreiche Nutzung eines ABC-Transporters für den Export von Carotinoiden in photosynthetisch aktiven Mikroorganismen, eine gänzlich neue Produktionsstrategie. Der erzeugte Synechococcus sp. PCC7002-Stamm kann eine kontinuierliche Astaxanthin-Produktion gewährleisten, die ohne Ernte und Zerstörung der Zellen auskommt. Potenziell ergibt sich daraus eine klimaneutrale oder sogar klimapositive Produktionsplattform.

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