Entschlüsselung der metabolischen Belastung: Experimentelle Erkenntnisse und mathematische Modellierung der heterologen Proteinproduktion in Pseudomonas putida

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Kremling; Dr. Katharina Pflüger-Grau
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555300101

In biotechnologischen Anwendungen werden häufig heterologe Gene eingebracht, um den Stoffwechsel der Wirtszelle auf gewünschte Produkte umzuprogrammieren. Dies kann zu einer metabolischen Belastung führen, da Energie und Ressourcen verbraucht werden, was sich meist in einer Reduktion der Wachstumsrate zeigt. Pseudomonas putida, ein vielseitiges Gram-negatives Bakterium, ist aufgrund seiner metabolischen Flexibilität, Stressresistenz und etablierten genetischen Werkzeuge ein vielversprechender Kandidat für die industrielle Biotechnologie. Dieses Forschungsprojekt zielt darauf ab, die Proteinallokation in P. putida allgemein und speziell während der heterologen Proteinproduktion zu verstehen. Die wichtigsten Fragen sind: (i) Wie wird das Proteom als Reaktion auf die heterologe Proteinproduktion umstrukturiert? (ii) Welchen Einfluss hat die Modulation der Ressourcenverfügbarkeit auf die metabolische Belastung? (iii) Gibt es eine Möglichkeit, die metabolische Belastung zu verringern? Zunächst wird die Proteinallokation in nicht-belasteten und belasteten Zellen untersucht. Dazu werden unterschiedliche Wachstumsraten durch verschiedene Methoden eingestellt: Verwendung verschiedener Kohlenstoffquellen, Titrierung der Kohlenstoffquellenaufnahme oder durch kontinuierliche Kultivierung. Um die Art der Belastung zu variieren, werden verschiedene heterologe Proteine produziert. Spezifische Kombinationen von Wachstumsrate und Belastungsart werden dann detaillierter analysiert, indem die Gesamtprotein/Gesamt-RNA-Fraktion, die Zuckeraufnahme, die Produktion heterologer Proteine bestimmt werden, und eine quantitative Proteomanalyse durchgeführt wird. Diese Daten dienen als Grundlage für ein modulares Modell, welches den zentralen Stoffwechsel, die Proteomsektoren und die Produktion heterologer Proteine abbildet. Dieses Proteom-Allokationsmodell wird genutzt, um die optimale Ressourcenzuweisung vorherzusagen oder Kompromisse zwischen Zielen wie Wachstumsrate und Ertrag vorzuschlagen. Diese Erkenntnisse sollen genutzt werden, um die Proteinproduktion zu optimieren. Dazu wird zum einen die Auswirkungen der Genomreduktion auf die Freisetzung von Ressourcen während der Produktion heterologer Proteine untersucht. Ausserdem kommt das Proteom-Allokationsmodell zum Einsatz, um weitere Verbesserungen der Ressourcenverfügbarkeit vorzuschlagen. Dies können genetische Veränderungen oder Anpassungen der Prozessparameter sein. Zudem werden die Auswirkungen einer Modulation der periplasmatischen Flüsse und einer Verbesserung der Glukoseaufnahme untersucht. In diesem Projekt wird die Proteinallokation in nicht-belasteten und belasteten Zellen systematisch untersucht und ein umfassendes Modell der Ressourcenallokation erstellt. Dieser integrierte Ansatz wird dazu beitragen, P. putida als industriellen Produktionsstamm besser zu verstehen und seine Produktivität und Stabilität in verschiedenen biotechnologischen Anwendungen zu erhöhen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen