COMPLATn - Eine umfassende Plattform für die nachhaltige Biosynthese von seltenen Naturstoffen in Pichia pastoris

• Antragstellerin: Dr. Gita Naseri, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523921295

Pflanzliche Naturstoffe (NP) haben wesentlich zur Entdeckung von Arzneimitteln beigetragen, insbesondere für Krebs und Infektionskrankheiten. Ihr geringes Vorkommen in Pflanzen hat jedoch ihre Gewinnung eingeschränkt, während ihre chemische Synthese aufgrund der komplexen Struktur der NPs eine Herausforderung darstellt. Die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) schätzt, dass die weltweite Nahrungsmittelproduktion bis 2050 um 70 % bis 100 % gesteigert werden muss, wenn die Weltbevölkerung auf 9 Milliarden Menschen ansteigt (2 Milliarden zusätzliche Menschen auf dem Planeten innerhalb von 30 Jahren). Als weitere Folge des Bevölkerungswachstums wird die Zahl der älteren Menschen zunehmen. Bis 2050 werden 130 Millionen Menschen an Osteoarthritis leiden, die schmerzlindernde NP-Medikamente benötigen, und es werden 20 Millionen neue Krebsfälle auftreten, die NP-basierte Krebsmedikamente zur Behandlung benötigen. Um verschiedene bioaktive NP-Verbindungen mit hoher Ausbeute zu erhalten und seltene NP in ausreichender Menge zu produzieren, muss das rückgekoppelte regulatorische Netzwerk, welches die Expression der Gene des Biosynthesewegs kontrolliert, gut verstanden werden. COMPLATn - COMprehensive PLATform for sustainable biosynthesis of NP - zielt darauf ab, die Hefe P. pastoris in die Lage zu versetzen, das optimierte Niveau pflanzlicher NPs als Alternative zur Natur zu synthetisieren. Zu diesem Zweck werden wir künstliche Regulatoren etablieren, um den Zeitpunkt und das Expressionsniveau der Enzyme des Biosynthesewegs in Gegenwart von Licht in Hefe zu kontrollieren. Wir werden auch eine kombinatorische Optimierungsstrategie entwickeln, um das optimale Expressionsniveau für die einzelnen Enzyme zu finden. Die Hefezellen, die die größtmögliche Menge an NP produzieren, werden mit biologischen Sensoren untersucht. Die Plattform wird mit komplementären automatischen Bioprozessen (zur Stabilisierung der Produktivität von NP) und tröpfchenbasierten Einzelzellanalysetechniken (zur Identifizierung der genetischen Identität der NP-Produzenten) kombiniert. Im Ergebnis erzeugt COMPLATn einen riesigen Datensatz, der die genetische Identität und die Produktivität des Systems miteinander verknüpft, um das Verständnis der Rückkopplungsregulierung von NP-Biosynthesewegen und die Entdeckung ihrer wichtigsten Bausteine zu unterstützen. Als Konzeptnachweis werden wir COMPLATn für die nachhaltige Bioproduktion von Strictosidin einsetzen und Hefe als skalierbares System für die Produktion von mehr als 3.000 natürlichen NPs positionieren. Außerdem werden wir sie direkt in Hefe zu den niedermolekularen Krebsmedikamenten Catharanthin, Vindolin und Vinblastin umwandeln, was uns erlaubt, die Schlüsselbausteine in den langen Biosynthesewegen von Alkaloiden, einer wichtigen Gruppe von NPs, zu ermitteln. Die erfolgreiche Produktion der ausgewählten NPs in Hefe könnte neue Türen zur Entdeckung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe öffnen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Shaking Incubator
• Gerätegruppe: 1080 Schüttelgeräte, Rüttler