Projekt “Biotechnologische Produktion reaktiver Peptide aus Abfallströmen als Leitstrukturen für die Arzneimittelentwicklung”

Projektziele

Ziel des Vorhabens ist die nachhaltige biotechnologische Produktion reaktiver Peptide für die Arzneientwicklung. Dies soll basierend auf mikrobiellen Naturstoffen aus Bakterien und Pilzen verwirklicht werden. Meist werden diese Wirkstoffe über nichtribosomale Peptidsynthetasen (NRPS), Polyketidsynthasen (PKS) oder Chimären aus beiden in den Mikroorganismen erzeugt. NRPS und PKS Enzyme sind riesige multifunktionale Enzyme, die aus einer Vielzahl von verschiedenen Proteindomänen aufgebaut sind, die wiederum zu sogenannten Modulen zusammengefasst werden können. Dabei ist ein Modul für die Aktivierung, den Einbau und die Modifizierung einzelner Bausteine (Aminosäuren oder Carbonsäuren) verantwortlich. Aufgrund des modularen Charakters dieser Megasynthasen, versucht man schon seit 30 Jahren, einzelne Module oder Domänen in diesen Enzymen so auszutauschen, das neue Naturstoffe entstehen. Bisher hat das zwar für einzelne NRPS und PKS Systeme gut funktioniert, es gab aber kein breit anwendbares System mit dem zuverlässig beliebige Megasynthasen modifiziert werden konnten. NRPS Enzymsysteme effizient zu manipulieren, um neue Wirkstoffe zu erzeugen, die so bisher in der Natur nicht vorkamen, ist das Ziel dieses Projektes.

Methodik

Dazu wird eine weltweit einzigartige Technologie zur Manipulation dieser Enzyme, die in der AG Bode entwickelt wurde, mit der Hochdurchsatz-Technologie der MaxGENESYS Biofoundry kombiniert, um große Bibliotheken (10⁵-10⁶) verschiedener Peptide inklusive chemisch reaktiver Peptide in Standard-Produktionsstämmen wie Escherichia coli oder Bacillus subtilis oder in bereits gut etablierten Produzenten von Naturstoffen wie Xenorhabdus und Photorhabdus mit Methoden der synthetischen Biologie zu erzeugen. Diese Bibliotheken an Peptid-Produzenten werden anschließend im kleinen Maßstab kultiviert und in einfachen Wachstumsassays auf ihre biologische Aktivität getestet. Die so erhaltenen Hits sollen in einem späteren Schritt patentiert und in Kooperation mit Pharmafirmen weiterentwickelt werden. Dazu sollen die optimierten Peptide in Medien aus Abfallströmen (z.B. Soldatenfliegen oder Mehlwürmern (Mehl ganzer Larven, Protein oder Fett), die auf Bioabfall kultiviert wurden) kultiviert werden. Insbesondere Photorhabdus und Xenorhabdus wachsen sehr gut in diesen Medien, deren Umwandlung in Wirkstoffe entsprechend eine starke Veredelung der Abfallströme darstellt.

MaxGENESYS Biofoundry

Biofoundries sind Einrichtungen, die die Industrialisierung der modernen molekular und synthetischen Biologie vorantreiben. In Biofoundries werden Arbeitsschritte modularisiert und automatisiert, um zum einen den Durchsatz zu erhöhen, aber zum anderen auch menschliche Fehler bei hochkomplexen und repetitiven Arbeiten zu unterbinden. Biofoundries haben viele weitere Vorteile, zum Beispiel die zentrale Archivierung von biologischen Material und das agieren als zentrale Einrichtung um kosteneffizient und gezielt Verbrauchsmaterialien zu organisieren und zu nutzten. Die Nutzung von Biofoundries ermöglicht deutlich höheren Durchsatz von Proben und Experimenten um den Anforderungen von wissenschaftlichen Fragestellungen in der Spitzenforschung aber beispielsweise auch bei der langwierigen Stammoptimierung in der Biotechnologie gerecht werden zu können.

Die Investitionen dieses Projektes werden für die substantielle und nachhaltige Erweiterung der Infrastruktur der MaxGENESYS Biofoundry genutzt, um damit die Umsetzung des beantragten Projektes überhaupt erst zu ermöglichen. Darüber hinaus wird die Infrastruktur allen Wissenschaftlern des Max-Planck-Institutes für terrestrische Mikrobiologie, der ganzen Max-Planck-Gesellschaft sowie lokalen und weltweiten Kollaborationspartnern zur Verfügung stehen. Durch die nachhaltige und zukunftsfördernde Investition des EFRE Programms werden Infrastruktur und Expertisen zentral gebündelt und in Zukunft werden dadurch auch neue Arbeits- und Ausbildungsplätze geschaffen.