Präzisionsfermentation

Weiterentwicklung der mikrobiellen Fermentation mit Hilfe fortgeschrittener molekularbiologischer Verfahren

Heute wird jede biologische Stoffumwandlung durch lebende Mikroorganismen als Fermentation bezeichnet. Dazu zählen traditionelle biotechnische Verfahren, um bestimmte Lebensmittel wie Brot, Bier, Wein oder Käse haltbarer, bekömmlicher oder geschmacklich interessant zu machen, aber auch die industrielle Produktion bestimmter Stoffe mit Hilfe von Mikroorganismen, die dazu in Tanks (Fermentern) gehalten werden. Lange war das auf solche Stoffe beschränkt, die von den jeweiligen Mikroorganismen - Bakterien, Schimmelpilze, Hefen, aber kultivierte Zellen - natürlicherweise gebildet werden können.

Züchtung und später auch gentechnische Optimierungen ermöglichten es, die Ergiebigkeit dieser Prozesse zu steigern. Erst damit wurden viele biotechnologische Verfahren wirtschaftlich interessant.

Der Begriff Präzisionsfermentation bezeichnet die vom wachsenden molekularbiologischen Wissen angetriebene Weiterentwicklung der Fermentation. Die jeweiligen Mikroorganismen werden dabei neu zusammengesetzt oder „umprogrammiert“, so dass sie beliebige komplexe organische Moleküle herstellen können - unabhängig von ursprünglich vorhandenen Stoffwechselwegen. Dafür werden verschiedene neue molekularbiologische Verfahren genutzt bis hin zu einer durch Künstliche Intelligenz erweiterten Bioinformatik.

Neben der herkömmlichen Gentechnik, Genetik oder Zellbiologie fließen etwa diese Verfahren in die Präzisionsfermentation ein:

• Mit der Gen-Schere CRISPR/Cas und anderen Genome Editing-Verfahren können auch bei Mikroorganismen an vorbestimmten Stellen im Genom Punktmutationen herbeigeführt werden, etwa um einzelne Gene abzuschalten oder gezielt zu verändern.
• Die Konzepte der Synthetische Biologie haben Möglichkeiten eröffnet, neue Stoffwechselwegen in Mikroorganismen einzubauen, etwa um begehrte pflanzliche Stoffe gewinnen zu können, die in ihrem natürlichem Ursprungsorganismus nur in geringen, oft wirtschaftlich nicht nutzbaren Mengen gebildet werden.
• Bei der Gelenkten Evolution durchlaufen Mikroorganismen mehrere Zyklen künstlich ausgelöster Mutationen und einer anschließenden Selektion derjenigen Mikroorganismen, die dem jeweiligen Ziel – einen bestimmten Stoff in gewünschter Menge und Qualität zu produzieren – am nächsten kommen. Damit sind erstaunliche und weitreichende Veränderungen an Mikroorganismen möglich, ohne dass neue Gene eingeführt werden müssen.

Voraussetzung dafür sind leistungsfähige Laborverfahren, die inzwischen weitgehend automatisiert ablaufen. Mit Hochdurchsatz-Sequenzierung sind ganze Genome schnell und kostengünstig zu entschlüsseln, die Synthese „künstlicher“ DNA-Sequenzen ist Routine. Die komplexen molekularen Vorgänge in einer Zelle lassen sich heute in Form riesiger Datenmengen abbilden, die mit Hilfe einer hochentwickelten, intelligenten Bioinformatik ausgewertet werden (Data Mining).

Siehe auch:

CRISPR/Cas Synthetische Biologie Mutagenese Sequenzierung