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.

Hier hat zum Beispiel eine neue online-Messmethode die Optimierung der P. putida-basierten Prodigiosinproduktion ermöglicht. Entscheidende Wachstums- und Produktionscharakteristika lieferten die Grundlage für Bioreaktor-Produktionen im Test-Maßstab. Die Terpenoidproduktion war besonders erfolgreich mit R. capsulatus und U. maydis, wobei mit letzterem ebenfalls große Mengen an Glykolipiden herstellt werden können. Durch Nutzung des P. putida-Chassis und mit einer Kombination von synthetischer Biologie und Synthesechemie konnten viele unterschiedliche Prodiginin-Derivate erhalten werden. Für die grüne Mikroalge Parachlorella kessleri wurde zudem eine Methodik zur Zellwand-Permeabilisierung entwickelt, die die Produktextraktion sowie molekulargenetische Manipulationen ermöglicht. Die Erkenntnisse aus dem Projekt CombiCom ermöglichen es, bekannte, aber auch neue Naturstoffe effizient herzustellen, die dann für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen getestet werden können.

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

Die CombiCom-Verbindungen wurden im Hinblick auf etwaige pflanzenprotektive 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.

Mehr Informationen: Kombinatorische Synthese bioaktiver Prodiginine

Mehr Informationen: Mikrobielle Produktion bioaktiver Terpene

Projektleiterin

Dr. Anita Loeschcke
Institut für Molekulare Enzymtechnologie, HHU Düsseldorf
E-Mail

Beteiligte Core Groups

Prof. Dr. Karl-Erich Jaeger, Dr. Anita Loeschcke, Dr. Thomas Drepper, Robin Weihmann, Fabienne Hilgers
Institut für Molekulare Enzymtechnologie, HHU Düsseldorf

Prof. Dr. Michael Feldbrügge, Dr. Kerstin Schipper, Jungho Lee, Peter Stoffels
Institut für Mikrobiologie, HHU Düsseldorf

Prof. Dr. Matias Zurbriggen, Nicole Heucken, Lisa Hüsemann
Institut für Synthetische Biologie, HHU Düsseldorf

Prof. Dr. Jörg Pietruszka, Dr. Thomas Classen, Jan Gebauer, Hannah Brass
Institut für Bioorganische Chemie, HHU Düsseldorf

Prof. Dr. Ulrich Schwaneberg, Dr. Anna Joëlle Ruff, Dr. Johannes Schiffels, Stefanie Brands
ABBt – Biotechnologie, RWTH Aachen

Prof. Dr.-Ing. Jochen Büchs, Dr. Nina Ihling, Carl Brehl
AVT – Bioverfahrenstechnik, RWTH Aachen

Prof. Dr. Florian Grundler, Dr. Sylvia Schleker, Dr. Samer Habash
INRES – Molekulare Phytomedizin, Universität Bonn

Prof. Dr. Ulrich Schurr, Dr. Holger Klose, Dr. Diana Reinecke-Levi
IBG-2 Pflanzenwissenschaften, Forschungszentrum Jülich

Prof. Dr. Stefanie Bröring, Dr. Chad M. Baum
ILR – Technologie-, Innovationsmanagement und Entrepreneurship, Universität Bonn

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.