Molekulare Enzymtechnologie und Biochemie (MEB)

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Archaea – eine kurze Einführung

Archaeen wurden als dritte eigenständige Domäne des Lebens -Archaea-, neben den Bacteria und Eukarya durch Carl Woese und George Fox in den siebziger Jahren entdeckt (Woese and Fox 1977, PNAS 74, 5088-90).

Anfänglich wurde angenommen, dass Archaeen ausschließlich an extreme Habitate angepasst sind, welche sich z.B. durch hohe Temperaturen (Thermophile, Hyperthermophile), extreme pH-Werte (Acidophile) oder hohe Salzgehalte (Halophile) auszeichnen, oder über spezielle Stoffwechseleigenschaften, wie z.B. die Methan-Produktion (Methanogene), verfügen. Allerdings konnte diese Vorstellung in ersten Studien mit molekularen Sonden (DeLong 1998, Curr. Opin. Genet. Dev. 8, 207-10) widerlegt werden. Heute weiß man, dass archaeelle Vertreter in allen Ökosystemen (z.B. verschiedenen Böden, Meerwasser) zahlreich anzutreffen sind und somit eine wichtige Rolle im biogeochemischen Kreislauf spielen.

Der archaeelle Mosaik-Charakter

Im Unterschied zu den Bakterien und Eukaryoten besitzen Vertreter der Archaeen einzigartige stoffwechselphysiologische Eigenschaften. Insbesondere bezüglich des Zentralen Kohlenhydrat-Metabolismus (ZKM) zeichnen sich die Archaeen durch eine große Stoffwechsel-Vielfalt aus, die durch eine Vielzahl „neuer“, ungewöhnlicher Enzyme und Stoffwechselwege charakterisiert ist (Bräsen et al. 2014).

Interessanterweise sind die zentralen molekularen, informationsverarbeitenden Prozesse der Transkription, Translation, Replikation und der DNA-Reparatur denen der Eukaryonten sehr ähnlich. Das archaeelle System stellt somit ein alternatives und oftmals einfacheres Modell dar, um die komplexen Prozesse, die im eukaryotischen Zellkern ablaufen, zu untersuchen. Darüber hinaus stellen die Archaeen eine wichtige vergleichende Entwicklungslinie dar und sind somit ein wichtiges Instrument für phylogenetische Untersuchungen.

Hyperthermophile Organismen (optimale Wachstumstemperatur über 80°C) und die molekularen Grundlagen der Anpassung dieser Organismen an ihren Lebensraum haben aus verschiedenen Gründen das Interesse vieler Wissenschaftler geweckt. Neben der Faszination für die extreme Lebensweise sind auch experimentelle Vorteile ein Grund für das Arbeiten mit hyperthermophilen Proteinen (z.B. eine höhere Rigidität, leichtere Kristallisation, einfache Aufreinigung rekombinanter Proteine durch Hitzefällung). Dieses Interesse wird zusätzlich durch das große Potential hyperthermophiler Organismen und ihrer Proteine in biotechnologischen/industriellen Anwendungen verstärkt: So sind „Extremophile“ und „Extremozyme” oftmals äußerst tolerant gegenüber Säure, organischen Lösungsmitteln und/oder hohen Temperaturen und damit von großem Vorteil für die Anwendung.

Solfatare

Solfatare im Kverkfjöll-Geothermalgebiet, Island, 1992 (Foto B. Siebers).

Unsere Forschungs-Interessen

Im Zeitalter der Genom-Sequenzierung ist es eine der größten Herausforderungen der Zukunft die Funktion der zahlreichen hypothetischen Gene (20-40% der Gene) zu entschlüsseln. In unserer Arbeitsgruppe liegt der Fokus auf den Zentralen Kohlenhydratmetabolismus (ZKM) in hyperthermophilen Archaeen, der dritten Domäne des Lebens -Archaea-. Archaeen sind einzigartig bzgl. ihrer Kombination aus bakteriellen (z.B. Genomorganisation, komplexer Stoffwechsel), eukaryalen (z.B. Informationsprozessierung) und spezifisch archaeellen (z.B. Biomembran, viele neue Stoffwechselwege und Enzyme) Eigenschaften. Bedingt durch ihre extremen Lebensräume (Temperaturen um 80°C) sind (Hyper)thermophile ideale Modellorganismen, um Anpassungsstrategien, sowie die Antwort auf sich verändernde Umweltbedingungen „Stressantwort“ zu untersuchen.

Neben der Entschlüsselung der Komplexität des Stoffwechsels und der Rekonstruktion der Stoffwechselwege, steht dabei insbesondere die Regulation auf Gen- und Proteinebene im Vordergrund der Arbeiten. Ziel ist es über die Kombination von klassischen Methoden der Biochemie und Molekularbiologie mit neuen Hochdurchsatz-Technologien (z.B. Genomics, Transcriptomics, Proteomics, Metabolomics) und Modellierung ein möglichst ganzheitliches Verständnis (System Biologie) zu erlangen.

Ein weiterer zentraler Aspekt unserer Forschung ist die Antwort der Zelle auf sich verändernde Umweltbedingungen (z.B. Stressantwort). Dies ist das zentrale Leitthema für die Arbeiten zur Untersuchung der Funktion von Trehalose als „compatible solute“ in Archaeen und zur Funktion multipler genereller Transkriptionsfaktoren bei der differentiellen Transkription oder reversiblen Proteinphosphorylierung in Abhängigkeit von unterschiedlichen Wachstums oder Stressbedingungen.

Nicht zuletzt versuchen wir unsere Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung in die biotechnologische Anwendung zu übertragen und durch den Einsatz von Enzymen (Biokatalysatoren), Enzymkaskaden oder von „metabolic engineering“ neue Produkte, Produktionswege oder Produktionsstämme zu designen. Das Ziel ist es erneuerbare Rohstoffe für eine nachhaltige ökoeffiziente Produktion zu nutzen.