Mikroben wie Bakterien und Hefen werden zunehmend zur Herstellung von Bestandteilen von Medikamenten, Biokraftstoffen und Lebensmitteln eingesetzt. Tatsächlich ist Bäckerhefe, auch Bierhefe oder Saccharomyces cerevisiae genannt, für den Fermentationsprozess bei der Herstellung von Bier oder Brot verantwortlich, wird aber auch in großem Maßstab zur Herstellung anderer für die Industrie wertvoller Moleküle eingesetzt.
Die Verwendung von Mikroben könnte der Schlüssel zu einer nachhaltigeren Produktion dieser Materialien sein, aber wir verstehen immer noch vieles nicht darüber, wie mikrobielle Gemeinschaften – insbesondere Hefe – entstehen und weiterbestehen.
Um diese Fragen zu beantworten, haben Forscher des Imperial College London ein molekulares Toolkit entwickelt, das eine neue Methode zur Herstellung nützlicher Verbindungen nutzt. Ihre Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Naturmikrobiologie.
Das Toolkit besteht aus 15 verschiedenen Hefestämmen, die wichtige Zellbausteine – Aminosäuren und Nukleotide – überproduzieren, aber nicht in der Lage sind, andere Bausteine herzustellen. Im Gegensatz zu traditionellen Gemeinschaften der synthetischen Biologie wurden die Stämme in „Spender“ – Stämme, die Wachstumsbausteine an andere spenden – und „Empfänger“ – Stämme, die sie erhalten, aufgeteilt.
Um das Kit zu testen, untersuchten die Forscher die Wirksamkeit des Spender-Empfänger-Systems auf die Fähigkeit der Gemeinschaften, Resveratrol, eine antioxidative Verbindung, die in Rotwein vorkommt, und einige Nahrungsergänzungsmittel zu produzieren, deren potenzielle medizinische Eigenschaften untersucht werden.
Mithilfe des neuen Spender-Empfänger-Systems schufen die Forscher Hefegemeinschaften mit jeweils zwei oder drei verschiedenen Stämmen und beobachteten, wie diese interagierten und zusammenwuchsen. Das Toolkit ermöglichte es ihnen, den Resveratrol-Produktionsweg in zwei Teile aufzuteilen und jede Hälfte in eine Auswahl von Spender- und Empfängerhefestämmen einzubauen.
Als Kontrolle produzierten sie außerdem Resveratrol mit Standardmethoden mit nur einem Hefestamm.
Anschließend maßen sie die Auswirkungen von Variablen wie der Zugabe zusätzlicher Nährstoffe, der Änderung der anfänglichen Mischung verschiedener Hefestämme und der Änderung der Zelldichte auf das Verhalten der Gemeinschaften und die Geschwindigkeit, mit der sie Resveratrol produzierten.
Sie fanden heraus, dass die Verzweigung des Weges zwischen zwei Hefestämmen im Vergleich zur herkömmlichen Produktionsplattform zu einer erhöhten Produktion von Resveratrol führte. Mathematische Modellierungen zeigten, dass das System auch stabilere und spezifischere Partnerschaften zwischen den Hefestämmen ermöglichte.
Der leitende Autor Dr. Rodrigo Ledesma-Amaro vom Imperial Department of Bioengineering sagte: „Wenn unsere Erkenntnisse auf weitere Hefen und Metaboliten übertragen werden, haben sie das Potenzial, die Art und Weise, wie wir mikrobielle Gemeinschaften in der nachhaltigen Bioproduktion verstehen und nutzen, von Lebensmitteln bis hin zu …, erheblich zu beeinflussen.“ Biokraftstoffe.
Obwohl das neue System bisher mit einem Stamm getestet wurde, der eine Verbindung produziert, könnte es Forschern ermöglichen, verschiedene Kombinationen von Hefegemeinschaften zu schaffen, die zusammenarbeiten und verschiedene Produkte effizienter und nachhaltiger herstellen.
Die Fähigkeit, Hefegemeinschaften zu entwickeln und deren Effizienz zu steigern, könnte unsere Produktion von Arzneimitteln, Lebensmitteln, Getränken, Biokunststoffen und Biokraftstoffen verbessern. Effizienz könnte auch zu weniger Abfall, geringerem Energieverbrauch und geringeren Kosten bei der Herstellung wertvoller Verbindungen führen.
Erstautor Dr. Huadong Peng, der die Arbeit in der Abteilung für Bioingenieurwesen des Imperial leitete, sagte: „Unsere Studie ist die erste ihrer Art, die sowohl mathematische Modelle als auch praktische Experimente nutzt, um zu verstehen, wie Faktoren innerhalb und außerhalb der Hefezellen das Gemeinschaftswachstum beeinflussen.“ Unsere Ergebnisse bieten spannende Möglichkeiten für weitere Studien.“
Als Nächstes werden die Forscher das Toolkit verfeinern und seinen Anwendungsbereich erweitern, um ein breiteres Spektrum kleiner Moleküle über die derzeit 15 Aminosäuren und Nukleotide hinaus einzubeziehen. Sie werden auch die Tests verlängern, um die Langzeitstabilität des Kits zu verstehen, was für praktische Anwendungen, bei denen diese Gemeinschaften über längere Zeiträume verwendet werden könnten, von entscheidender Bedeutung sein wird. Sie werden auch verschiedene Hefetypen vorstellen und auf Mutationen und Anpassungen achten, die sich auf die Ergebnisse auswirken könnten.
Mehr Informationen:
Huadong Peng et al., Ein molekulares Toolkit zur Kreuzung von Stämmen zur Entwicklung synthetischer Hefegemeinschaften, Naturmikrobiologie (2024). DOI: 10.1038/s41564-023-01596-4