Besondere Regionen für biotechnologische Anwendungen in Bakterium gefunden

Forscher vom Institut für Molekulare Enzymtechnologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und des Forschungszentrum Jülich fanden im Genom des Bakteriums Pseudomonas putida besonders geeignete Orte für eine hohe und stabile Expression von Biosynthesegenen. Dabei identifizierten sie bestimmte Regionen im Genom, die mit dem RNA-Stoffwechsel verknüpft sind. Diese eignen sich besonders für die Aktivierung von Biosynthesewegen, über die wertvolle Naturstoffe wie Antibiotika im Bakterium produziert werden. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Scientific Reports veröffentlicht.

Bakterielle Naturstoffe sind eine sehr wertvolle Quelle für Medikamente wie Antibiotika oder Krebstherapeutika. Um diese Stoffe verfügbar zu machen, suchen Biotechnologen nach Wegen, sie möglichst effektiv in harmlosen Bakterien zu produzieren.

Dazu sind eine stabile Integration der entsprechenden Biosynthesegene und deren starke Expression im Wirtsbakterium nötig. Bei der Expression wird die genetische Information abgelesen und in das Genprodukt umgesetzt. In diesem Fall sind die Genprodukte Enzyme, die wiederum einen Biosyntheseprozess von einem gewünschten Naturstoff ermöglichen. Für ihre Suche nutzten die Forscher einen ‚Reporter-Gencluster‘, der ihnen geeignete genomische Positionen anzeigen konnte: Ein 21 Kilobasen langer Gencluster aus dem Bakterium Serratia marcescens, der für die Biosynthese des roten und bioaktiven Naturstoffs Prodigiosin verantwortlich ist. Dieser wurde willkürlich im Genom von Pseudomonas putida integriert.

Durch die rote Farbe des Naturstoffs konnten die Forscher leicht diejenigen P. putida-Zellen isolieren, bei denen der Einbau ins Genom und die Expression der Gene besonders erfolgreich waren. Entgegen der Erwartung, dass verschiedene Positionen identifiziert würden, fanden die Wissenschaftler, dass der Gencluster ausschließlich in der sogenannten rDNA eingebaut wurde. Diese trägt die Informationen für die ribosomale RNA, ein wichtiges Element der Proteinbiosynthese, welche für die Produktion der Proteine in der Zelle zuständig ist. Die gefundenen genomischen Bereiche zeichnen sich durch eine besonders starke Expression aus, damit viel ribosomale RNA für den Zellstoffwechsel produziert werden kann. Davon können offenbar auch die an dieser Stelle eingebauten fremden Gene profitieren. Da die rDNA in mehreren Kopien vorkommt, ist ein Einbau von zusätzlichen Genclustern nicht tödlich, und die Zellen zeigten keine Einbußen an Vitalität. Darüber hinaus zeichneten sich die rekombinanten Stämme durch eine ausgesprochene Stabilität über Jahre aus, ohne einen Verlust der Produktionsleistung. Die Ergebnisse der Studie und die Untersuchung der zugrunde liegenden molekularen Phänomene können Prozesse ermöglichen, die als Schlüssel für eine effektive biotechnologische Wertstoffproduktion gelten, und somit zur effektiven Produktion anderer Stoffe neben Prodigiosin beitragen.

Originalpublikation

Pseudomonas putida rDNA is a favored site for the expression of biosynthetic genes, by Domröse A, Hage-Hülsmann J, Thies S, Weihmann R, Kruse L, Otto M, Wierckx N, Jaeger KE, Drepper T, Loeschcke A, Scientific Reports, May 2019
DOI: 10.1038/s41598-019-43405-1