Rot gefärbte Hefen enthalten Hinweise auf die Herstellung besserer Biokraftstoffe.

Eine Verbindung, bei der Wissenschaftler rot sehen, kann der Schlüssel zur Entwicklung von Hefen sein, die bessere Biokraftstoffe produzieren.

Ein rotes Pigment namens Pulcherrimin, das von mehreren Wildhefestämmen produziert wird, wird teilweise über denselben biochemischen Weg synthetisiert, den die Forscher nutzen wollen, um die Produktion von Isobutanol, einer vielversprechenden Biokraftstoffalternative zu Ethanol, zu verbessern. In der Forschung, die diese Woche (8. Oktober 2018) in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, beschreibt ein Team mit Sitz an der University of Wisconsin-Madison und dem Great Lakes Bioenergy Research Center die genetischen Mechanismen, mit denen Hefen Pulcherrimin herstellen, das Eisen, einen essentiellen Nährstoff, bindet. Die Arbeit ist ein wichtiger Schritt, um den Syntheseweg für die großtechnische Herstellung von Isobutanol als Biokraftstoff zu nutzen.

„Im Vergleich zu Biokraftstoffen der ersten Generation, wie beispielsweise Ethanol, hat Isobutanol einen höheren Energiegehalt, vermischt sich besser mit Benzin, verursacht weniger Korrosion und ist besser mit der bestehenden Motorentechnologie kompatibel“, sagt GLBRC-Forscher Chris Todd Hittinger, ein UW-Madison-Genetik-Professor, der die Forschung leitete. „Dennoch gibt es nach wie vor erhebliche Hindernisse, um diesen Kraftstoff nachhaltig aus speziellen Energiepflanzen zu erzeugen.“

Hefen produzieren unter normalen Bedingungen typischerweise nicht viel Isobutanol, sagt David Krause, Postdoc bei GLBRC und Hauptautor der neuen Studie. Am häufigsten untersuchte Arten produzieren während der Fermentation Ethanol. Da die frühen Schritte der Isobutanolsynthese jedoch mit denen der Pulcherrimin-Synthese identisch sind, fielen den Forschern Hefen, die das Pigment auf natürliche Weise produzieren – leicht erkennbar an ihrer charakteristischen Rottönung – ins Auge.

„Unser Gedanke ist, dass diese Hefen, die Pulcherrimin herstellen, so vorbereitet werden können, dass sie mehr Isobutanol produzieren“, sagt Krause. „Wir wollen einige dieser Hefearten verwenden, die bereits mehr Kohlenstoff in diese Wege bringen, und sehen, ob wir sie dazu bringen können, das in Isobutanol anstelle von Pulcherrimin zu verwandeln.“

Eine Herausforderung war jedoch, dass nicht viel über Pulcherrimin bekannt war, einschließlich der Frage, wie Hefen es herstellten. Die begrenzte Forschung an dem Molekül konzentrierte sich auf seine chemischen und antimikrobiellen Eigenschaften. Und die häufigste Laborhefe, Saccharomyces cerevisiae, schafft es überhaupt nicht.

Die Forscher verwendeten vergleichende Genomik, die 90 Hefearten umfasst, um die Gene zu identifizieren, die an der Pulcherrimin-Produktion beteiligt sind. Sie fanden einen Cluster von vier Genen, die sie PUL1-4 nannten, die scheinbar komplementäre Rollen spielen. Durch umfangreiche genetische Charakterisierung stellten sie fest, dass PUL1 und PUL2 erforderlich sind, um das Molekül herzustellen, während PUL3 und PUL4 der Hefe zu helfen scheinen, es zu transportieren und seine Produktion zu regulieren.

Die Entdeckung war zum Teil überraschend, denn sie markiert den ersten Bericht über einen Gencluster in knospenden Hefen, der für die Herstellung einer Art von Verbindung verantwortlich ist, die als sekundärer Metabolit bekannt ist. Viele sekundäre Stoffwechselprodukte haben wertvolle Funktionen wie Antibiotika, Toxine oder Signalmoleküle. Während viele dieser Moleküle von filamentösen Pilzen und Bakterien produziert werden, legt die neue Forschung nahe, dass einige knospende Hefen auch sekundäre Stoffwechselprodukte herstellen.

„Die Erforschung verschiedener Genome kann zu Entdeckungen und neuen biologischen Erkenntnissen führen…. Wir konnten mehr über die Gene in S. cerevisiae durch die Linsen einiger dieser weniger bekannten Arten erfahren“, sagt Chris Hittinger.

Ein weiterer überraschender Aspekt der Studie war der Befund, dass viele Hefearten, die keinen Pulcherrimin produzieren – einschließlich S. cerevisiae – dennoch funktionierende PUL3- und PUL4-Gene haben. Muster über viele Hefelinien hinweg deuten darauf hin, dass die Beibehaltung dieser Gene es einigen Arten ermöglicht, von dem Pulcherrimin anderer zu profitieren, erklärt Krause.

„Es kann einen evolutionären Trend hin zu Organismen geben, die auf die Fähigkeit verzichten, ein Molekül zu produzieren, es aber dennoch nutzen können“, sagt er. „Also, ihre Nachbarn machen Pulcherrimin, und sie können es benutzen, ohne die Kosten für die Herstellung auf sich nehmen zu müssen.“

Die Ergebnisse zeigen auch, wie wichtig es ist, über traditionelle Labormodelle hinauszugehen.

„Diese Arbeit zeigt wirklich, wie das Studium verschiedener Genome zu Entdeckungen und neuen biologischen Erkenntnissen führen kann“, sagt Hittinger. „Die Fokussierung auf einen einzelnen Organismus kann uns ein unvollständiges Bild eines komplexen biologischen Prozesses vermitteln. Gleichzeitig konnten wir mehr über die Gene in S. cerevisiae durch die Linsen einiger dieser weniger bekannten Arten erfahren.“

Mit einem besseren Verständnis der Schritte bei der Pulcherrimin-Produktion sind die Forscher nun bereit, zu versuchen, die Produktionsmaschinen zu optimieren und sie stattdessen zur Herstellung von Isobutanol zu nutzen. „Diese Forschung ist ein Ausgangspunkt, um das, was wir über Pulcherrimin gelernt haben, auf Biokraftstoffe anzuwenden“, sagt Krause.

Mehr Informationen:
David J. Krause et al. Funktionelle und evolutionäre Charakterisierung eines sekundären Metaboliten-Genclusters in knospenden Hefen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2018). DOI: 10.1073/pnas.1806268115

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