Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME
Die Fraunhofer-Biobank: Von der Stammsammlung zur Bioökonomie-Plattform
Dr. Celine Zumkeller:
»Mich fasziniert der genetische Bauplan von Mikroorganismen – ein Archiv verborgener Möglichkeiten. Dieses Potenzial für die Bioökonomie nutzbar zu machen, treibt mich an.«
Mikroorganismen – also Bakterien und Pilze – fungieren als biologische Produktionssysteme für eine Vielzahl chemischer Verbindungen. Sie stellen Naturstoffe her, die wir bereits heute in Arzneimitteln, Pflanzenschutzmitteln oder industriellen Prozessen nutzen. Gleichzeitig ist ein Großteil ihres Potenzials noch unentdeckt: In ihren Genomen liegen Baupläne für viele weitere Stoffwechselwege und Moleküle, die unter normalen Laborbedingungen unsichtbar bleiben.
An dieser Schnittstelle zwischen genetischem Potenzial und praktischer Nutzbarkeit setzt die Promotionsarbeit von Dr. Celine Zumkeller an. Im Mittelpunkt steht die Fraunhofer-Biobank, die aus einer industriellen Stammsammlung des Pharmaunternehmens Sanofi hervorgegangen ist. Diese Biobank ist gewissermaßen eine »Schatzkammer« tausender Mikroorganismen.
Zumkeller etablierte einen Workflow, mit dem sich anhand von Genomdaten gezielt diejenigen Stämme auswählen lassen, die für neue Wirkstoffe oder biotechnologische Verfahren besonders vielversprechend sind.
Wissenschaftlich lag ein Fokus auf einer bisher wenig erforschten Gruppe von Bodenbakterien, den Acidobacteriota. Sie sind in vielen Böden weit verbreitet, lassen sich aber nur schwer im Labor kultivieren. Durch die Kombination von Genomik (Analyse der Erbinformation), Metabolomik (Analyse der Stoffwechselprodukte) und angepassten Kultivierungsbedingungen gelang es, diese Bakterien zu »aktivieren«. Das zentrale Signal war dabei die Aminosäure Tryptophan, ein typischer Bestandteil von Pflanzenausscheidungen. Unter Tryptophan-Einfluss steigerten die Bakterien ihre Stoffwechselaktivität, produzierten mehr des pflanzenwirksamen Hormons Indol-3-Essigsäure und zeigten eine Hemmwirkung gegen den Weizenschädling Zymoseptoria tritici, einen zentralen Krankheitserreger im Weizenanbau.
Die Analysen förderten zudem neue, bisher nicht charakterisierte Biosynthesegencluster zutage – also Genpakete, die die Bauanleitung für komplexe Naturstoffe enthalten. Viele dieser Cluster sind im natürlichen Organismus inaktiv und lassen sich nur auf genetischer Ebene erkennen. Das wirft die Frage auf, wie sich solche verborgenen Stoffwechselwege künftig systematisch erschließen lassen.
Als technische Antwort darauf wurde die modulare Expressionsplattform HEL entwickelt. Dieses System folgt Prinzipien der synthetischen Biologie: Promotoren (»Schalter für Gene«), regulatorische Elemente und Anpassungsbausteine für verschiedene Wirtsorganismen können im Hochdurchsatz kombiniert werden, um stille Gencluster in gut kultivierbaren Labororganismen gezielt zu aktivieren. Die umfassende Anwendung und Validierung großer Biosynthesegencluster ist Gegenstand eines laufenden, DFG-geförderten Folgeprojekts.
Für die Fraunhofer-Biobank zeigt die Arbeit, wie wichtig es ist, moderne metabolomische und genomische Methoden mit der klassischen Bioprospektion,also der systematischen Erkundung mikrobieller Vielfalt,zu verbinden. Nur so lassen sich die Mechanismen hinter erwünschten Eigenschaften verstehen, gezielt nutzen und bewerten.
Um diese verborgene Welt auch einer breiteren Öffentlichkeit zugänglich zu machen, startet ergänzend die Kommunikationsreihe „Tales of the Tiny“. Dort werden ausgewählte Stämme, ihre Naturstoffe, mögliche Anwendungen und offene wissenschaftliche Fragen anschaulich vorgestellt – und machen sichtbar, welches Potenzial in den kleinsten Bewohnern unserer Umwelt steckt.