Fachbereich 13 - Biologie
Institut für Molekulare Mikrobiologie und Biotechnologie
Arbeitskreis Prof. Dr. Alexander Steinbüchel

Biosynthese von Polyestern und Polythioestern

Im Arbeitskreis werden physiologische, biochemische und molekulare Grundlagen von Stoffwechselleistungen meist von Bakterien untersucht. Schwerpunkte bilden Untersuchungen zur mikrobiellen Synthese und zur biotechnologischen Produktion von technisch relevanten Biopolymeren. Hier kommt auch der Bereitstellung von ausreichenden Mengen neuer Biopolymere eine große Bedeutung zu, um die technischen Eigenschaften und Materialeigenschaften solcher Biopolymere in Zusammenarbeit mit anderen Instituten und Einrichtungen in Kooperation untersuchen zu können. Ein weiterer Schwerpunkt sind Untersuchungen zum biologischen Abbau von Biopolymeren und synthetischen Polymeren. Daneben werden in weiteren Schwerpunkten die Biosynthese und auch der Abbau niedermolekularer Verbindungen, wie z.B. Aromastoffe, Speicherlipide und Wachsester untersucht.

In beinahe allen Schwerpunkten wird angestrebt, die hierbei gewonnenen Erkenntnisse zur Etablierung neuer oder verbesserter biotechnologischer Verfahren zu nutzen. Die Untersuchungen sollen dazu beitragen, nachwachsende Rohstoffe, Abfall- und Reststoffe der chemischen Industrie oder der Landwirtschaft, interessante Inhaltsstoffe von Pflanzen sowie auch fossile Rohstoffe mit Hilfe biotechnologscher Verfahren in für die Industrie interessante Produkte zu überführen oder zu einer sinnvollen Entsorgung von Industrieprodukten und Produkten des täglichen Lebens beizutragen.

Seit ca. 16 Jahren wird in der Arbeitsgruppe die Biosynthese wasserunlöslicher, aus Hydroxyfettsäuren aufgebauten Polyester (PHF) untersucht. Als Modellorganismen dienen Ralstonia eutropha, Rhodococcus ruber, anoxygene phototrophe Bakterien (z.B. Chromatium vinosum) und oxygene phototrophe Bakterien (z.B. Synechocystis sp.) Diese Untersuchungen haben wesentlich zur Aufklärung von Biosynthesewegen der PHF und zur Entdeckung neuer Bausteine von PHF sowie zur Klonierung und Ermittlung der Primärstrukturen des Schlüsselenzyms PHF-Synthase aus mittlerweile ca. 60 Bakterien beigetragen. Mittlerweile werden auch detaillierte Untersuchungen zur Aufklärung von Struktur-Funktionsbeziehungen von PHF-Synthasen und anderer, an Synthese und Akkumulation von PHF beteiligten Proteine durchgeführt. Einen breiten Raum nimmt das "metabolic engineering" ein. Hierdurch soll ein Metabolitenfluß ausgehend von Abbauprodukten einfacher, preiswerter Kohlenstoffquellen in Richtung der Biosynthese von PHF ermöglicht und optimiert werden. Ziel ist es, möglichst viele unterschiedliche PHF aus wenigen Kohlenstoffquellen herstellen zu können. Auch die in vitro Synthese von PHF mit Hilfe gereinigter Enzyme wird untersucht.

Im Zuge der Untersuchungen zur Biosynthese von PHF wurde mit den Polythioestern neben anderen schwefelhaltigen PHFs eine neue Klasse von Biopolymeren entdeckt. Die Synthese dieser Polythioester, deren mikrobieller Abbau und die Materialeigenschaften werden zzt. eingehend untersucht. Dabei wurden intensive Kooperationen mit dem Institut für Organische Chemie der WWU Münster sowie einer Arbeitsgruppe an der McGill Universität in Montreal (Canada) durchgeführt.

Einen weiteren Schwerpunkt innerhalb des PHF-Projektes bilden Untersuchungen zur Struktur der bakteriellen PHF-Einschlüsse sowie die Charakterisierung von Proteinen, die an die Oberfläche dieser PHF-Einschlüsse gebunden sind. In dem Modellorganismus Ralstonia eutropha, dessen Genomsequenz durch ein Forschungskonsortium (Genomic) in Göttingen zzt. ermittelt wird und an dem auch die hiesige Arbeitsgruppe beteiligt ist, wurden bereits mehrere dieser Proteine identifiziert.

Die Untersuchungen zielen auch darauf ab, nachwachsende Rohstoffe oder davon abgeleitete Verbindungen wie Lävulinsäure und Biodiesel, Rest- und Abfallstoffe wie z.B. Melasse sowie Braunkohlen in PHF zu überführen, die als neue, biologisch abbaubare Werkstoffe eingesetzt werden können. In Bioreaktoren bis zu 500 l Nutzvolumen werden Polymermuster zur Ermittlung der Materialeigenschaften durch hieran interessierte Kooperationspartner produziert.

Ein durch das BML unterstütztes Projekt mit Pflanzengenetikern, die Gene für PHF-Biosynthese aus Bakterien zur Verfügung gestellt bekamen, wurde im Berichtszeitraum abgeschlossen. Es ist gelungen, transgene Kulturpflanzen zu erzeugen, die zur Synthese von PHF befähigt sind.

Drittmittelgeber:

DAAD, DFG, BMBF, BML, Max-Buchner Forschungsstiftung, Fonds der Chemischen Industrie, EU, Metabolix (Cambridge, USA)

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. Dr. Alexander Steinbüchel (Leiter), Prof. Dr. Z. Wang (Gastwissenschaftler), Dr. Christian Brämer, Dr. Kerstin Brandt, Dr. Silke Fiedler, Dr. Bernd Füchtenbusch, Dr. Volker Gorenflo, Dr. Silke Hein, Dr. Francis Hezayen, Dr. Jürgen Paletta, Dr. Qingsheng Qi, Dr. Bernd H. A. Rehm, Dr. Hai Tran, Dipl.-Ing. Herbert Ahlers, Dipl.-Biol. Christian Ewering, Dipl.-Biol. Tina Lütke-Eversloh, Dipl.-Biol. Markus Pötter, Dipl.-Biol. Frank Reinecke, Dipl.-Biol. Uwe Remminghorst, Dipl.-Biol. Karsten Rose, Dipl.-Biol. Patricia Spiekermann, Prof. Dr. R. Antonio, Amro Amara, Khaled El-Banna, Filomena de Andrada Rodrigues

Veröffentlichungen:

Babel, W., A. Steinbüchel: Biopolyesters. Special issue (No. 71) of Advances in Biochemical Engineering Biotechnology, Springer-Verlag, Berlin, 342 pages, 2001

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Godoy, F., M. Vancanneyt, M. Martinez, A. Steinbüchel, J. Swings, B. H. A. Rehm: Sphingopixis chilensis sp. nov. a chlorophenol degrading bacterium which accumulates polyhydroxyalkanoate and transfer of Sphingomonas alaskensis to Sphingopixis alaskensis comb. nov., Int. J. Syst. Evol. Microbiol., in press, 2002

Green, P. R., J. Kemper, L. Schechtman, L. Guo, M. Satkowski, S. Fiedler, A. Steinbüchel, B. H. A. Rehm: Formation of short chain length/medium chain length polyhydroxyalkanoate copolymers by fatty acid b-oxidation inhibited Ralstonia eutropha, Biomacromolecules 3, 208-213, 2002

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Lütke-Eversloh, T., A. Fischer, U. Remminghorst, J. Kawada, R. H. Marchessault, A. Bögershausen, M. Kalwei, H. Eckert, R. Reichelt, S.-J. Liu, A. Steinbüchel: Biosynthesis of polythioesters by engineered Escherichia coli as novel thermoplastic materials, Nature Materials 1, 236-240, 2002

Lütke-Eversloh, T., A. Steinbüchell: Polythioesters. In: Steinbüchel & Matusumura (Eds.): Biopolymers, Vol. 9, Weinheim: Wiley-VCH, 2002

Pötter, M., M. H. Madkour, F. Mayer, A. Steinbüchel: Regulation of phasin expression and polyhydroxyalkanoate (PHA) granule formation in Ralstonia eutropha H16, Microbiology 148, 2413-2426, 2002

Rehm, B. H. A., R. V. Antonio, P. Spiekermann, A. A. Amara, A. Steinbüchel: Molecular characerization of the poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) synthase from Ralstonia eutropha: in vitro evolution, site specific mutagenesis and development of a PHB synthase protein model, Biochim. et Biophys. Acta 1594, 178-190, 2002

Remminghorst, U.: Untersuchungen zur Biosynthese von langkettigen schwefelhaltigen Polyestern mit Bakterien der Gattung Pseudomonas und anderen Bakterienstämmen, Diplomarbeit Universität Münster, Fachbereich Biologie, 2002

Steinbüchel, A.: In vivo and in vitro metabolic engineering of PHA biosynthesis pathways. In: Cheng, H.N., and R.A. Gross (Eds.): Biocatalysis: Frontiers in polymer reactions, ACS Symposium Book series, 2002