Produktion von Öl in Cyanobakterien

329 Neue Produktionsmechanismen Produktion von Öl in Cyanobakterien wendet. Leinöl wird z. B. aufgrund seines hohen Anteils an ungesättigten Fettsäuren für die Ernährung, aber auch als Firnis zum Holzschutz produziert. Während ein Teil der Fett- und Ölproduktion aus tierischen Quellen stammt, wird der größte Teil der Fette und Öle aus Pflanzen gewonnen. Die mit Abstand wichtigste Ölpflanze ist die Afrikanische Ölpalme, gefolgt von Sojabohne, Raps und Sonnenblume. In Europa werden Rapsöl und Palmöl zum großen Teil zur Biodieselproduktion eingesetzt (Beimischung von bis zu 7 % Biodiesel zum Dieselkraftstoff gemäß Biokraftstoffquotengesetz), daneben finden die Öle in der Lebensmittelindustrie Verwen- GEORG HÖLZL, PETER DÖRMANN INSTITUT FÜR MOLEKULARE PHYSIOLOGIE UND BIOTECHNOLOGIE DER PFLANZEN (IMBIO), UNIVERSITÄT BONN Cyanobacteria are photosynthetically active organisms like plants and algae, but their cell structure is less complex and they can therefore be changed more easily. The elucidation of the biosynthetic pathway for oil in cyanobacteria in 2020 will now enable new strategies for biotechnological oil production in microorganisms. Due to the simpler possibility of genetic modification and their photosynthetic activity, cyanobacteria are ideally suited for the biotechnological production of oil. DOI: 10.1007/s12268-021-1563-y © Die Autoren 2021 ó Fette und Öle biologischen Ursprungs spielen eine entscheidende Rolle in der menschlichen Ernährung und als nachwachsende Rohstoffe. Sie werden in großen Mengen in der Lebensmittelindustrie verwendet, aber auch als Nahrungsergänzungsstoffe (z. B. Fischöle mit ω-3- und ω-6-Fettsäuren) eingesetzt. Große Mengen an pflanzlichen Ölen werden für die Produktion von Biokraftstoffen (Biodiesel, Flugzeugtreibstoff) ver- A B ˘ Abb. 1: Biosynthese von Triacylglycerin in Cyanobakterien. A, Biosyntheseweg von Triacylglycerin. Triacylglycerin entsteht in den Zellen durch den Transfer einer dritten Fettsäure an Diacylglycerin katalysiert durch eine Acyltransferase. B, Phylogenetischer Baum der Acyltransferasen der Triacylglycerin-Biosynthese aus verschiedenen Organismen. Der phylogenetische Baum zeigt die Verwandtschaft (Sequenzähnlichkeit) der Acyltransferasen aus dem Cyanobakterium Synechocystis (slr2103), aus Pflanzen (Arabidopsis thaliana PES2/At3g26840 und DGAT1, At2g19450), dem Bakterium Acinetobacter baylyi (WS/DGAT/AF529086), aus Hefe (Saccharomyces cerevisiae, DGA1/DGAT2) und Maus (Mus musculus, DGAT1). C, SynechocystisZellen gehören zu den photosynthetisch aktiven Cyanobakterien. Sie können als Kolonien auf der Oberfläche von Nährmedium in einer Petrischale wachsen. D, Eine Synechocystis-Zelle nach einer elektronenmikroskopischen Aufnahme. Man erkennt außen ringförmige Thylakoide, in denen die Proteine der Photosynthese eingebettet sind. In der Mitte der Zelle befinden sich Öltröpfchen (Pfeile), die u. a. mit Triacylglycerin gefüllt sind. BIOspektrum | 03.21 | 27. Jahrgang C D 330 B I O T ECH NOLOGIE ˚ Abb. 2: Strategie zur Produktion von Öl in Cyanobakterien. Geeignete Cyanobakterien mit hoher Ölproduktion werden ausgewählt und durch die Umleitung des Kohlenstoffflusses zur Ölproduktion optimiert. Diese optimierten Stämme können in Fermentern zur biotechnologischen Ölproduktion eingesetzt werden. Eine weitere Steigerung der Ölproduktion könnte durch stärkere Expression geeigneter Acytransferasen (X, Y, Z) erreicht werden. DAG: Diacylglycerin (Ölvorstufe); TAG: Triacylglycerin (Öl). dung. Fette und Öle bestehen aus Triacylglycerin (TAG), welches Glycerin enthält, das mit drei Fettsäuren verestert ist (Abb. 1A). Triacylglycerin wird in den Zellen aus Diacylglycerin (DAG) und einer aktivierten Fettsäure durch Enzyme, die Acyltransferasen, synthetisiert und in Lipidtröpfchen (lipid droplets) gespeichert. Die entsprechenden Acyltransferasen wurden aus Tieren, Pflanzen, Algen, Hefen und Bakterien isoliert (Abb. 1, [1]). Neben der Isolierung von tierischen und pflanzlichen Fetten gewinnen biotechnologische Strategien zur Produktion von Triaycylglycerin immer mehr an Bedeutung. Hierzu werden insbesondere Grünalgen (z. B. Chlamydomonas) oder Heterokont-Algen (Nannochloropsis) aufgrund ihrer Fähigkeit zur Photosynthese verwendet [2]. Wie Pflanzen können Algen durch Photosynthese aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Zucker synthetisieren. Algen können diesen Zucker in Triacylglycerin umwandeln, allerdings tun sie dies bevorzugt unter bestimmten Wachstumsbedingungen, wie Stress. Diese Bedingungen und die Tatsache, dass sie nur schwer gentechnisch verändert werden können, beeinträchtigen den großtechnischen Einsatz von Algen zur Ölproduktion. Algen gehören wie Tiere, Pflanzen und Hefen zu den eukaryoten Organismen, die Zellen mit Organellen einschließlich eines Zellkerns enthalten, der über ein Genom aus Chromosomen verfügt. Die Komplexität der eukaryoten DNA, in Kombination mit der in Kompartimente aufgeteilten Zellstruktur, erschwert in der Praxis die Möglichkeiten zu genetischen Verän- derungen. Prokaryote Organismen (z. B. Bakterien) enthalten keine Organellen und die DNA liegt ohne Zellkern im Cytosol der Zelle vor. Bakterien können einfach genetisch modifiziert werden, indem fremde Gene in übertragbaren genetischen Einheiten (Plasmiden) in die Zellen eingebracht oder ins Genom integriert werden. Außerdem können zelleigene Gene durch homologe Rekombination ausgeschaltet werden. Die Cyanobakterien stellen ein Phylum innerhalb der Bakterien dar und können ebenso wie eukaryote Algen und Pflanzen durch Photosynthese Kohlenstoffdioxid und Wasser in Sauerstoff und Zucker umwandeln. Der so erzeugte Zucker wird in Cyanobakterien hauptsächlich in Form von Glycogen (Zuckerpolymer) oder Polyhydroxyalkanoat (ein Polyester zur Speicherung von Kohlenstoff) gespeichert (Abb. 2, [3]). Cyanobakterien sind aufgrund ihrer prokaryoten Natur ideal für biotechnologische Anwendungen geeignet. Gentechnisch angepasste Cyanobakterienstämme werden bereits zur Produktion von Ethanol oder Wasserstoff eingesetzt [4, 5]. Allerdings blieb die Antwort auf die Frage, ob Cyanobakterien auch Triacylglycerin synthetisieren können, kontrovers. Im Jahr 2020 gelang es unserer Arbeitsgruppe, das Gen für die Triacylglycerinsynthese aus dem Cyanobakterium Synechocystis zu isolieren und zu charakterisieren [6]. Dieses Gen enthält die Erbinformation für eine neue Acyltransferase (slr2103), die eine Ähnlichkeit zu pflanzlichen Enzymen zeigt, die an der Wachsestersynthese in Chloroplasten beteiligt sind [7]. Diese Acyltransferase aus Synechocystis ist ein Mitglied einer neuen Klasse von Triacylglycerin-Synthasen, welche verschieden von den bisher bekannten Acyltransferasen aus Tieren, Hefen, Pflanzen und nicht photosynthetischen Bakterien (z. B. Acinetobacter) sind (Abb. 1B, [1]). Der Gehalt an Triacylglycerin in Synechocystis ist zu gering für eine biotechnologische Nutzung [6]. Daher ist es notwendig, nach anderen Cyanobakterienstämmen zu suchen, die größere Mengen an Triacylglyce (...truncated)