Bioprozess Entwicklung durch dynamische Regulation von Stoffwechselwegen

01.01.2015 bis 30.04.2021

In vielen biotechnologischen Prozessen werden genetisch veränderte Organismen verwendet, in denen Enzyme eines künstlichen Synthesewegs in großer Menge vorhanden sind. Ein grosses Problem ist das Fehlen von Regulationsmechanismen, um die Aktivität dieser Enzyme dynamisch an Störungen im Produktionsprozess und natürliche Fluktuationen in der Zelle anzupassen. Das Fehlen von dynamischer Regulation wird problematisch, sobald eine Zelle kurzfristig Prozessbedingungen ausgesetzt ist, die eine geringere Aktivität im Syntheseweg erfordern. Obwohl die benötigten Mechanismen, wie z.B. allosterische Regulation seit langem bekannt sind, war es bis heute nicht möglich, diese Mechanismen in einem künstlichen Syntheseweg zu realisieren. Dabei war das größte Hindernis, dass keine Methoden zur Untersuchung allosterischer Regulation in lebenden Zellen vorhanden waren. In meiner bisherigen Arbeit habe ich solche Methoden neu entwickelt, die auf Messungen im Stoffwechsel und Computer Simulationen basieren. Das Ziel dieses Projekts ist die Verwendung dieser Methoden, um dynamische Regulationsmechanismen zu entwickeln, die den natürlichen Stoffwechsel mit künstlichen Synthesewegen optimal und schnell koordiniert. Vor allem sollen Bedingungen in industriellen Prozessen berücksichtigt werden, die dazu führen das Ausbeuten frühzeitig abnehmen und das die Effizienz der Produktionsorganismen in nicht optimal homogenisierten Reaktorzonen abnimmt. Im speziellen plane ich durch mathematische Modellierung die Regulation eines Synthesewegs zu designen, so dass Syntheseraten und natürlicher Stoffwechsel koordiniert werden. Um Regulation im Produktionsstamm zu realisieren sollen künstliche allosterische Enzyme verwendet werden. Für das Design dieser Enzyme sollen etablierte Methoden wie Protein Fragmentierung und modulare Rekombination zum Einsatz kommen. Methoden zur Untersuchung der Aktivität und Funktion der künstlichen Enzyme im Produktionsorganismus sind durch meine Vorarbeiten zur Stoffwechselanalyse gesichert. Als Fallbeispiel soll die Überproduktion einer aromatischen Aminosäure in dem Bakterium Escherichia coli autonom reguliert werden.Langfristig sollen in diesem Projekt grundlegende Prinzipien der dynamischen Stoffwechselregulation verstanden und auf biotechnologische Systeme übertragen werden. Dynamische Regulation kann die Steigerung der Leistung von Produktionsorganismen in großtechnischen Bioreaktoren ermöglichen und dazu führen, dass biotechnologische Produktionsprozesse viel länger als heute möglich bei hoher Ausbeute durch geführt werden können. Eine Möglichkeit ist die Entwicklung von Produktionsorganismen, die auf ungenügend homogenisierte Zonen eines Bioreaktors reagieren: sobald eine Zelle zu wenig Substrate oder Sauerstoff erhält, verringert sich unmittelbar und automatisch der Stofffluss in den künstlichen Biosyntheseweg, solange bis die Zelle wieder ausreichend versorgt ist.