Naturstoff-Biotechnologie

Die Biosynthese von Naturstoffen in Organismen wird durch Enzyme katalysiert. In den Genomen mikrobieller Naturstoffproduzenten werden diese Enzyme meist in sogenannten Biosynthesegenclustern (BGCs) kodiert. Dies ermöglicht es, Biosynthesewege durch moderne bioinformatische Analysen effizient am Computer zu entdecken. Zur Erschließung der durch sie kodierten Naturstoffmoleküle bedienen wir uns der Produktion in heterologen Wirtssystemen. Dafür werden interessante BGCs durch die Entwicklung und Anwendung von Klonierungsmethoden von den natürlichen Produzenten in effiziente mikrobielle Produktionssysteme transferiert. Ein Beispiel dafür ist das von uns entwickelte Direct Pathway Cloning (DiPaC). Diese Methode erlaubt es, interessante BGCs mittels PCR direkt zu amplifizieren und in Überexpressionsvektoren zu klonieren. Das Expressionskonstrukt wird vollständig in vitro assembliert, wodurch volle Flexibilität hinsichtlich der verwendeten Expressionsvektoren gegeben ist und potenzielle Probleme mit Produkttoxizität während der Klonierung umgangen werden. DiPaC erlaubt zudem die Umstrukturierung von Biosynthesewegen bereits während des Klonierungsvorgangs. Dies ermöglich zum Beispiel die Manipulation von Regulationsprozessen zur Optimierung der Produktion und die Deletion oder den Austausch Stoffwechselweg-spezifischer Gene für die Erforschung biosynthetischer Mechanismen (siehe unten).

Im Laufe der Evolution entwickelte die Natur eine enorme Vielfalt funktionell unterschiedlichster Enzyme, die die Biosynthese komplexer Naturstoffstrukturgerüste effizient ermöglichen. Um diese Biokatalysatoren in der Wirkstoffforschung einsetzen zu können, ist es essentiell deren molekularen Mechanismen im Detail zu verstehen. Unsere Abteilung arbeitet daher an der Aufklärung der individuellen Funktionen von Biosyntheseenzymen und deren Zusammenspiel in der Naturstoffbiosynthese. Zum einen werden die Funktionen und Anwendungspotentiale von Biosynthesegenen in BGCs interessanter Naturstoffe durch deren Deaktivierung und Austausch in vivo untersucht. Dies ermöglicht es auch, die natürliche strukturelle und funktionelle Vielfalt durch molekularbiologische und biotechnologische Ansätze gezielt zu erweitern. Zum anderen produzieren wir vielversprechende Enzyme durch heterologe Expression und entschlüsseln ihre Funktionen und Substrattoleranz durch detaillierte Charakterisierung in vitro. Dies bildet die Grundlage für deren Anwendung in effizienten chemo-enzymatischen Syntheseansätzen (siehe unten). 

Die Komplexität der Strukturen von Naturstoffen hat die Kreativität synthetisch-organischer Chemiker seit Jahrzehnten herausgefordert. Das Ziel, solche Verbindungen im Labor herzustellen, hat zur Entwicklung einer Fülle innovativer Synthesemethoden und eleganter Reaktionswege geführt. In vielen Fällen reicht das entwickelte Arsenal chemischer Reaktionen jedoch nicht für die effiziente Herstellung größerer Mengen von Naturstoffen oder für breit angelegte Struktur-Aktivitätsbeziehungs-Studien aus. Die Optimierung von Synthesewege durch die Integration enzymatischer Schlüsselschritte hat das Potenzial, diese Probleme nachhaltig zu lösen. In unserer Abteilung sind wir besonders an der Verwendung von Enzymen interessiert, die den schnellen Aufbau molekularer Komplexität ermöglichen und so Naturstoffe effizient und selektiv zugänglich machen. Beispiele für diese Arbeiten sind die synthetische und chemo-enzymatische Herstellung sorbicillinoider Naturstoffe, polycyclischer Tetramat-Macrolactame, von antibiotischen Myxocoumarinen, Ambigolen und Peptiden, sowie von heterocyclischen Bausteinen für die Anwendung in der Medizinalchemie.