FocusLab CombiCom

Combinatorial creation of structural diversity for novel high-value compounds

 Naturstoffe, die als Sekundärmetabolite von Organismen aus allen Bereichen des Stammbaums produziert werden, stellen vielfach bioaktive Verbindungen dar. Diese können teils direkt im Agrar- oder Pharmasektor eingesetzt werden, oder auch Grundstrukturen zur Entwicklung neuer Chemikalien liefern, die hier aufgrund der wachsenden Bedürfnisse moderner Gesellschaften in puncto Ernährung und Gesundheit dringend benötigt werden. Das CombiCom Projekt hatte das Ziel, den Paradigmenwechsel von der rein chemischen Synthese hin zu einer nachhaltigen mikrobiellen Bioproduktion zu befördern und hat daher Sekundärmetabolit-Stoffwechselwege nutzbar gemacht, um Naturstoffe und darauf aufbauend neue Derivate zur Verfügung zu stellen. Im Hinblick auf eine potentielle Markteinführung, wurde dies begleitet durch das Testen relevanter Bioaktivitäten der Verbindungen und durch eine Evaluation der gesellschaftlichen Akzeptanz von Produkten aus synthetisch-biologischen Verfahren. Das aus neun BioSC Core Groups bestehende Konsortium hat dieses Gemeinschaftsprojekt in den Jahren 2017-2020 durchgeführt.

Abb. 1: CombiCom Motivation. Mikrobielle Produktion neuer Naturstoffe für eine biobasierte Ökonomie. Abb. 1: CombiCom Motivation. Mikrobielle Produktion neuer Naturstoffe für eine biobasierte Ökonomie.

Wir haben eine „synthetisch-biologische Plattform“ aufgebaut mit den Bakterien Rhodobacter capsulatus und Pseudomonas putida, dem Pilz Ustilago maydis und Chlorellaceae Grünalgen, um spezifische Eigenschaften nicht-photosynthetischer und photosynthetischer Organismen zu nutzen. Die Wirte wurden jeweils gezielt ausgewählt, um sie mit genetischen Modulen zur Produktion von Terpenoiden, Prodiginin Pyrrol-Alkaloiden und Glykolipiden sowie deren Derivaten auszustatten. Dazu haben wir neuartige Werkzeuge, insbesondere zur genomischen Genintegration, multi-Genexpression, (opto)genetischen Feinjustierung von Genexpression und zur Syntheseweg-spezifischen Vorstufen-Produktion entwickelt und kombiniert. Die Anwendung dieser Werkzeuge hat zusammen mit der chemischen Modifikation von Vorstufen und Enzym-Engineering die Produktion von über 50 Biochemikalien ermöglicht, die vormals nur schwer zugänglich waren. Für besonders vielversprechende mikrobielle Stämme sowie Vertreter der Chlorellaceae Mikroalgen haben wir außerdem auch maßgeschneiderte Bioprozess-Verfahren für die mikrobielle Feinchemikalienproduktion und die Extraktion entwickelt.

Eine weitere Schlüsselerkenntnis hinsichtlich der Akzeptanz neuer Technologien, die ein maßgeblicher Faktor für eine erfolgreiche Markteinführung ist, betrifft die entscheidende Rolle der Kommunikation. Wichtig scheint hier die Verdeutlichung des potentiellen Nutzens für den Konsumenten, insbesondere auch kommuniziert durch bestimmte Akteure entlang der Wertschöpfungskette und über verschiedene Bereiche des aufkommenden Innovations-Ökosystems hinweg.
Das FocusLab-Projekt CombiCom hat somit wichtige Ergebnisse erbracht, die eine effiziente mikrobielle Produktion bekannter und neuer werthaltiger Naturstoffe ermöglichen, welche dann für eine Vielzahl von Anwendungen getestet und verwendet werden können.

Abb. 2: CombiCom Forschungsnetzwerk. Abb. 2: CombiCom Forschungsnetzwerk.

Wir konnten aufzeigen, wie unterschiedlich die „Einflussfaktoren für das Aufkommen der synthetischen Biologie“ von verschiedenen Interessengruppen in einem „Innovations-Ökosystem“ gesehen werden, was am Beispiel der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf untersucht wurde. Die CombiCom-Verbindungen wurden im Hinblick auf etwaige Pflanzen-protektive oder pharmakologisch relevante Aktivitäten getestet. Dabei wurden einige vielversprechende „Treffer“ identifiziert, die das Potential haben, als Mittel gegen Phytophathogene entwickelt zu werden. Beispielsweise wurde festgestellt, dass unter den Terpenoiden Nootkaton ein Inhibitor für den Pflanzen-parasitischen Nematoden Heterodera schachtii ist, der durch Aktivierung der Pflanzenabwehr wirkt und, dass β-Caryophyllen das Wachstum Pflanzen-pathogener Pilze inhibiert. Bestimmte Prodiginine zeigten ausgeprägte Aktivität gegen Pilze, Nematoden sowie cytostatische Aktivität bei Brustkrebs-Zellen. Schließlich haben wir entscheidende Barrieren und Erfolgsfaktoren für die Kommerzialisierung solcher Produkte betrachtet.

Eine weitere Schlüsselerkenntnis hinsichtlich der Akzeptanz neuer Technologien, die ein maßgeblicher Faktor für eine erfolgreiche Markteinführung ist, betrifft die entscheidende Rolle der Kommunikation. Wichtig scheint hier die Verdeutlichung des potentiellen Nutzens für den Konsumenten, insbesondere auch kommuniziert durch bestimmte Akteure entlang der Wertschöpfungskette und über verschiedene Bereiche des aufkommenden Innovations-Ökosystems hinweg.
Das FocusLab-Projekt CombiCom hat somit wichtige Ergebnisse erbracht, die eine effiziente mikrobielle Produktion bekannter und neuer werthaltiger Naturstoffe ermöglichen, welche dann für eine Vielzahl von Anwendungen getestet und verwendet werden können.

Projektleiterin

Dr. Anita Loeschcke
Institut für Molekulare Enzymtechnologie (IMET)
Heinrich Heine-Universität Düsseldorf
Stetternicher Forst
52426 Juelich
Email: a.loeschcke@fz-juelich.de

Projektlaufzeit
01.05.2017 – 31.12.2020

Förderung
Das Gesamtbudget von CombiCom betrug 2.392.370 €. CombiCom ist Teil des NRW-Strategieprojekts BioSC und gefördert vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen.