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BIOspektrum | 04.12 | 18. Jahrgang

HANS JÖRG KUNTE1, GEORG LENTZEN2

1BIOLOGISCHE MATERIALSCHÄDIGUNG UND REFERENZORGANISMEN,

BAM – BUNDESANSTALT FÜR MATERIALFORSCHUNG UND -PRÜFUNG, BERLIN2BITOP AG, WITTEN

The compatible solute ectoine protects cells from damages caused byheat, UV radiation or toxins. Ectoine is marketed in health care productsand produced on a scale of tons in a biotechnological process with thehalophile Halomonas elongata. The H. elongata genome was sequencedleading to the elucidation of the entire ectoine metabolism. Based on thegenome data a metabolic model of ectoine metabolism was built, whichresulted in a strain with a three times increased volumetric productivity.

DOI: 10.1007/s12268-012-0191-y© Springer-Verlag 2012

ó Salzseen, Lagunen und Meerwassersali-nen sind Standorte, die nur von wenigen höhe-ren Lebensformen besiedelt werden. Domi-niert werden diese Lebensräume von spezia-lisierten, salzliebenden Mikroorganismen [1].Eine große Gruppe von Mikroorganismen

Biotechnologie mit Extremophilen

Vom Genom zum Produkt: Herstellungvon Schutzstoffen mit Halophilen

˙ Abb. 1: Synthese und Abbau des kompa-tiblen Soluts Ectoin in Halomonas elongata[7]. LysC: Aspartat-Kinase; Asd: α-Aspartat-semialdehyd-Dehydrogenase; EctB: L-2,4-Diaminobuttersäure-Transaminase; EctA: L-2,4-Diaminobuttersäure-Nα-Acetyltransfera-se; EctC: Ectoin-Synthase; DoeA: Ectoin-Hydrolase; DoeB: Nα-Acetyl-L-2,4-diamino-buttersäure-Deacetylase; DoeD: L-2,4-Diami-nobuttersäure-Transaminase; DoeC: Aspar-tatsemialdehyd-Dehydrogenase.

364 WISSENSCHAFT

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erreicht ein osmotisches Gleichgewicht,indem sie in ihrem Zytoplasma organischeVerbindungen in molarer Konzentrationanreichert. Diese sehr gut wasserlöslichenVerbindungen stören selbst in hoher Kon-zentration den Stoffwechsel der Zelle nichtund werden daher als kompatible Solutebezeichnet. Es handelt sich dabei um Mole-küle aus ganz unterschiedlichen Stoffklassen:Zucker, Zuckerpolyole oder Aminosäurederi-vate. Das bei halophilen Mikroorganismenvorherrschende kompatible Solut ist Ectoin(2-Methyl-1,4,5,6-tetrahydropyrimidin-4-car-bonsäure), ein Aminosäurederivat der Aspar-tat-Familie.

Ectoin ist ein ZellschutzstoffEctoin ist nicht nur wichtig für die Aufrecht -erhaltung eines osmotischen Gleichgewichts,sondern übernimmt auch die Funktion einesSchutzstoffes für die Zelle. Die Schutzwirkungdes Ectoins beruht auf seiner kosmotropen(wasserstrukturfördernden) Wirkung [2]. ImGegensatz zu denaturierenden (chaotropen)Substanzen wie Harnstoff oder Guanidini-umchlorid wirkt das kosmotrope Ectoin sta-bilisierend auf Proteine und biologische Mem-branen [3]. Ectoin stabilisiert selbst ganzeZellen in Gegenwart von Stressfaktoren wieUV-Strahlung [4]. Durch Ectoin wird auch dasLungenepithel vor Feinstaub-induzierten Ent-zündungen geschützt [5] und Schädigungendes Dünndarms vermindert, die durch Ischä-mie verursacht werden [6]. Dank dieser Eigen-schaften wird Ectoin zum Schutz von Epithe-lien z. B. in dermatologischen Produkten,Nasensprays, Augentropfen und im kosmeti-schen Hautschutz vermarktet.

Produktivitätssteigerung in derEctoinherstellung: Genomanalyse,Systembiologie, Molekularbiologieund VerfahrenstechnikEctoin wird in einem fermentativen Prozessmithilfe des halophilen Bakteriums Halomo-nas elongata produziert. Vor dem Hintergrunddes steigenden Mengenbedarfs wurde ineinem gemeinschaftlichen Projekt aus Indus-trie und Forschung das Genom von H. elon-gata sequenziert, mit dem Ziel, den gesam-ten Ectoinmetabolismus aufzuklären und soden Weg für eine gezielte Optimierung desProduktionsstamms zu ebnen [7]. Um geeig-nete Zielgene für die Mutagenese zu finden,wurde ein Modell des metabolischen Stoff-flusses (metabolic flux model) aus den Genom-daten abgeleitet. Durch Vergleich des Genomsvon H. elongata mit bereits sequenzierten

Genomen und durch molekularbiologischeund biochemische Analysen konnten die Geneidentifiziert werden, welche die Enzyme fürden Abbau von Ectoin zum Aspartat codie-ren. Der Abbau von Ectoin verläuft über dieHydrolyse von Ectoin zu Nα-Acetyl-L-2,4-dia-minobuttersäure (NαAcDABA), gefolgt voneiner Deacetylierung zur Diaminobuttersäu-re (Abb. 1). Von hier aus erfolgt entweder dieUmwandlung zu Aspartat oder die erneuteSynthese von Ectoin via NγAcDABA, wodurchein Zyklus aus Abbau und Synthese gebildetwird. Eine flux balance-Analyse wurde durch-geführt und ein mathematisches Modell fürden Ectoinstoffwechsel entwickelt. Demnachsind die Kosten für die Bildung von Ectoin proZyklus um zwei ATP erhöht, sollte der vorge-schlagene Kreislauf aus Synthese und Abbautatsächlich in der Zelle ablaufen. In der Tatführt in einem Stamm von H. elongata, derEctoin kontinuierlich ins Medium exportiert[8], die Deletion des identifizierten Ectoinab-bauweges zu einer Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute für die Produktion von Ectoin umdas Dreifache.

AusblickZurzeit arbeiten wir an einem erweitertenModell des Stoffwechsels von H. elongata, dasauch Wachstum berücksichtigt. Hierdurch istes beispielsweise möglich, neue Zielgene zudefinieren, deren Mutation einen gesteiger-ten Kohlenstofffluss zum Ectoin erlauben unddamit eine noch höhere Ectoin-Produktivitätermöglichen. Das genombasierte Stoffwech-selmodell bildet zudem die Grundlage für diebreitere Nutzung von H. elongata für Fer-mentationsprozesse auf der Grundlage salz-haltiger Substrate. ó

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Korrespondenzadresse:PD Dr. Hans Jörg KunteBiologische Materialschädigung und ReferenzorganismenBundesanstalt für Materialforschung und -prüfungUnter den Eichen 87D-12205 BerlinTel.: 030-8104-1410Fax: 030-8104-1417hans-joerg.kunte@bam.de

AUTORENHans Jörg Kunte1985–1991 Mikrobiologiestudium an der Universität Bonn. 1995 Promotion bei Prof.Dr. H. G. Trüper. 1995–1997 Postdoc bei Prof. Dr. J. Wood, University of Guelph, Kanada. 2004 Habilitation an der Universität Bonn. Seit 2004 Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Direktor und Professor, Leiter des Fachbe-reichs Mikrobielle Materialschädigung und Referenzorganismen.

Georg Lentzen1984–1988 Biologiestudium an der Universität Aachen. 1988–1991 Biochemie -studium an der Universität Witten/Herdecke. 1995 Promotion bei Prof. Dr. W. Winter-meyer. 1998–2003 Wirkstoffforschung bei Ribotargets, Cambridge, UK. Seit 2003Leiter Forschung & Entwicklung, bitop AG, Witten.