Nutzung von Bacillus subtilis als Produktionsorganismus für antimikrobielle Substanzen unter Verwendung von Mersacidin als exemplarisches Produkt
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Herstellung antimikrobieller Substanzen ist in einer Zeit, in der die Entwicklung neuer Antibiotika begrenzt ist, zwingend notwendig. Für das Screening neuer Substanzen scheint Bacillus subtilis ein geeigneter Produktionsorganismus zu sein, der sich bereits zur Herstellung von industriell und pharmazeutisch nutzbaren Proteinen und Feinchemikalien etabliert hat. Um Strategien für die Produktion antimikrobieller Substanzen wie Lantibiotika zu realisieren, wurde Mersacidin als Vertreter der Peptid-Antibiotika identifiziert. In molekularen Stammentwicklungen wurden verschiedene B. subtilis-Stämme für die heterologe Mersacidin-Bioproduktion eingesetzt. Im Detail wurden der Labor-Stamm 168, der Stamm BMV9 für Hochzelldichtefermentationen und der genomreduzierte miniBacillus PG10 ausgewählt. Dabei war der B. subtilis-Laborstamm 168 in der Lage, im Vergleich zum nativen B. amyloliquefaciens-Stamm BH072 etwa 5-fach höhere Mersacidin-Konzentrationen herzustellen. In anschließenden Studien, bei denen der B. subtilis-Stamm BMV9 als Produktionswirt für die Mersacidin-Biosynthese verwendet wurde, konnte der molekularregulatorische Zusammenhang von Spo0A, dem Hauptregulator der Zelldifferenzierung einschließlich der Sporulation, und dem globalen Transkriptionsregulator AbrB, der an Zellanpassungsprozessen beteiligt ist, identifiziert werden, um die Stimulation der Mersacidin-Biosynthese zu steuern. In einem zweiten nachgeschalteten Regulierungsschritt wirkt der Regulator MrsR1 als stimulierendes Element für die Mersacidin-Biosynthese. Diese Einblicke führten zur Konstruktion von potenten Produktiosstämmen, die im Vergleich zum nativen Produktionsstamm 7- (BMV9-Stamm) bzw. 11-fach (168-Stamm) höhere Mersacidin-Titer erreichten. Diese Erkenntnisse sind wichtig, um die Mechanismen zu verstehen, die Umweltbedingungen und mikrobielle Reaktionen im Hinblick auf die Bioproduktion bioaktiver Metaboliten einschließlich antimikrobieller Stoffe wie Mersacidin miteinander verbinden. Diese Informationen werden für die Konstruktion von künftigen Produktionsstämmen bezüglich der Bioproduktion von bioaktiven Metaboliten mit antimikrobiellen Eigenschaften wichtig sein. Da die B. subtilis-vermittelte Bioproduktion ohne das Mersacidin-spezifische Immunsystem erfolgte, wurden die Stressreaktionssignaturen der B. subtilis-Produktionsstämme während des Produktionsprozesses bestimmt, was weitere Einblicke in die Resistenzmechanismen ermöglicht, die in Abwesenheit des Mersacidin-spezifischen Immunsystems stimuliert werden. In finalen Fed-Batch Bioreaktor-Fermentationsprozessen wurde eine hochskalierte Produktion von Mersacidin angestrebt, um die heterologe Produktion von antimikrobiellen Substanzen mit B. subtilis als Produktionsorganismus für innovative Antibiotika aus der Natur darzustellen.
