ORCA: Umgestaltung der Enzymbiochemie hin zur Nutzung orthogonaler CoA-Analoga

• Antragstellerin: Dr. Maren Nattermann
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 581057063

Die mikrobielle Bioproduktion erlaubt die nachhaltige Produktion von Chemikalien aus günstigen Ausgangsstoffen und ohne hohe Temperaturen, Druck oder giftige Lösungsmittel. Die dafür notwendige metabolische Integration neuer, synthetischer Stoffwechselwege ist jedoch herausfordernd. Ein Hauptproblem ist die Konkurrenz zwischen synthetischen und natürlichen Stoffwechselwegen, welche oft dieselben Metaboliten benötigen. Momentan werden diese Konflikte entweder über räumliche oder zeitliche Trennung gelöst. Erstere trennt Stoffwechselwege in verschiedene Zellkompartimente auf, während bei letzterer die Produktionskaskaden erst aktiviert werden, wenn eine mikrobielle Kultur bereits die Wachstumsphase verlassen hat und somit metabolisch weniger aktiv geworden ist. Orthogonale Stoffwechselwege stellen eine dritte Art der metabolischen Trennung dar – eine auf der biochemischen Ebene. Stoffwechselwege, die sich nicht-natürlicher Intermediate bedienen, interagieren weniger mit dem natürlichen Stoffwechsel und senken somit die Belastung, die auf der Zelle liegt. Die Natur bedient sich bereits orthogonaler Systeme, exemplarisch hierzu sind die Redoxcofaktoren NADH und NADPH. Obwohl beide Cofaktoren dieselben Redoxreaktionen ermöglichen, werden sie von der Zelle unterschiedlich eingesetzt – NADH dient im Katabolismus dem oxidativen Abbau komplexer Moleküle, und NADPH wird eingesetzt, um im Anabolismus reduktiv komplexe Moleküle aufzubauen. In diesem Projekt wollen wir dieses Konzept der metabolischen Orthogonalität ausweiten und einen Cofaktor etablieren, der strikt dem synthetischen Stoffwechsel zugeordnet werden kann, und diesen somit vom natürlichen Metabolismus trennt. Insbesondere der Cofaktor Coenzym A (CoA) wird in vielen synthetischen Stoffwechselwegen genutzt. Durch diese starke Beanspruchung durch den synthetischen Stoffwechsel kommt es zu negativen Wechselwirkungen mit dem natürlichen CoA-Pool, welche eine Einpflanzung der Kaskaden in die Zelle deutlich erschweren. Wir werden daher eine CoA-abhängige Enzymkaskade so abwandeln, dass die Enzyme lediglich das synthetische Analog N-Acetylcysteamin (SNAC) erkennen und umsetzen können. Um eine solide Grundlage für unsere Arbeit zu bauen, werden wir die CoA-Bindestellen der relevanten Enzyme biochemisch charakterisieren, worauf aufbauend wir die Bindestelle so mutieren werden, dass der natürliche Cofaktor nicht länger bindet, und SNAC effizienter genutzt werden kann. Final werden wir die Kaskade in vitro zusammenstellen und bewerten, wie effizient sie ist, und ob sie noch mit CoA interagiert. Mit dieser Arbeit werden wir das Wissen über CoA-Bindestellen erweitern, zum ersten Mal nachweisen, dass CoA-abhängige Enzyme mutiert werden können, um selektiv SNAC umzusetzen, und uns die Möglichkeit eröffnen, diese orthogonalen Kaskaden in Zellen einzupflanzen und damit orthogonale Stoffwechselwege zu generieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen