Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Synthese von Monoterpenen in produkttoleranten Mikroorganismen zur Gewinnung natürlicher Wirkstoffe für die Agro-, Nahrungsmittel- und Kosmetikindustrie

Anschrift
DECHEMA Forschungsinstitut
60486 Frankfurt am Main
Theodor-Heuss-Allee 25
Kontakt
Dr. rer. nat. Jens Schrader
Tel: +49 69 7564-422
E-Mail: schrader@dechema.de
FKZ
22040011
Anfang
01.05.2012
Ende
30.11.2013
Aufgabenbeschreibung
Ziel des Vorhabens ist die mikrobielle Synthese von Monoterpenen ausgehend von Glyzerin, einem Nebenprodukt der Biodieselherstellung, zur Gewinnung natürlicher Wirkstoffe für unterschiedliche Anwendungsgebiete, wie der Agro-, Nahrungsmittel- und Kosmetikindustrie. Von zentraler Bedeutung ist dabei der Einsatz von Mikroorganismen, welche hohe Konzentrationen der für andere Mikroorganismen toxischen Monoterpene tolerieren können. Das Vorhaben ist auf insgesamt 36 Monate ausgelegt, wobei im Rahmen der ersten 18 Monate ein erster Machbarkeitsnachweis für die angestrebte de novo Monoterpensynthese erbracht werden soll. Es kommen Methoden des Metabolic Engineering zum Einsatz. Der Arbeitsplan gliedert sich in drei Teile: 1. Überexpression früher Gene der Terpenbiosynthese, um einen erhöhten zellinternen Pool der Monoterpenvorstufe Geranyldiphosphat zu etablieren. 2. Funktionelle Expression ausgewählter pflanzlicher Monoterpensynthasen im mikrobiellen Wirt, um modellhafte Monoterpene zu produzieren. 3. Coexpression von Genen, die für Monoterpen-modifizierende Enzyme kodieren, um wirtschaftlich interessante Monoterpenderivate zu erzeugen.
Ergebnisdarstellung
Im Vorhaben wurde im Rahmen einer Machbarkeitsstudie (18 Monate) durch Maßnahmen des Metabolic Engineering und der Synthetischen Biologie der Nachweis für eine erfolgreiche Synthese von Monoterpenen (Limonen, Geraniol) in rekombinanten P. putida Zellen für ausgewählte Modellsubstanzen erbracht. Dieses anvisierte Ziel eines proof-of-concepts konnte nicht nur erreicht, sondern auch dahingehend übertroffen werden, dass auch die durchgehende Synthese der entsprechenden Monoterpensäuren (Geraniumsäure, Perillasäure), welche erst in der nachfolgenden Projekthälfte erreicht werden sollte, bereits etabliert werden konnte. Durch den bisherigen Projektverlauf konnten neue Erkenntnisse gewonnen werden, welche die Grundlage für zukünftige weitere Projekte darstellen können. So konnte erstmalig gezeigt werden, dass das Bakterium P. putida für die Monoterpenproduktion geeignet ist. Im Vergleich zu bereits bekannten artifiziellen Terpenproduzenten, z.B. E.coli oder der Bäckerhefe, besitzt P. putida jedoch eine erhöhte Toleranz gegenüber der Produkttoxitität. Damit besitzt P. putida eine hervorragende Eigenschaft für die spätere industrielle Anwendung in entsprechenden Produktionsprozessen. Während die Synthese von Monoterpenen bereits in Bäckerhefe oder E. coli gezeigt wurde, stellt diese Arbeit den ersten Machbarkeitsnachweis für die direkte Produktion einer Monoterpensäure dar. Weiterhin konnte in dieser Arbeit erstmals der Mevalonat-Stoffwechselweg aus dem Bakterium Myxococcus xanthus genutzt werden, um in einem Wirtsorganismus wie P. putida die Terpensyntheseleistung zu steigern. Monoterpene werden u.a. als natürliche Pflanzenschutzmittel in der Landwirtschaft oder als natürliche Konservierungsstoffe in der Kos-metikindustrie eingesetzt. Der in diesem Projekt etablierte Biosyntheseweg auf Basis von Glycerin stellt eine umweltschonende Alternative zur chemischen Synthese sowie zur Extraktion aus pflanzlichen Rohstoffen dar.

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