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Bakterien sind unter den wichtigsten Produktionsorganismen für Chemikalien und Pharmazeutika in der Biotechnologie. Ihre Identität und ihre Kommunikation mit und Versorgung aus der Umgebung werden durch die Zellhülle gewährleistet, die bei einem grossen Teil der Bakterien, den Gram-negativen, aus 2 selektiven Membranen besteht. Diese selektiven Barrieren müssen für viele Anwendungen der Bakterien in der Biotechnologie überwunden werden, und dieses Projekt versucht, einen generell anwendbaren Weg dafür zu implementieren.

Inhalte und Ziele des Forschungsprojekts

Wichtige Forschungsbereiche in der Biotechnologie sind davon abhängig, dass man Verbindungen von aussen über eine Zellmembran bringen kann - zB wenn man einen neuen Syntheseweg mit mehreren Schritten entwickeln und man an der Umsetzung der verschiedenen Zwischenstufen arbeiten will, bevor man de Zwischenstufe in der Zelle selbst herstellen kann. Da diese Membranen selektiv sind, ist die Anzahl an Verbindungen, die man einfach so in die Zelle einführen kann, begrenzt. Gram-negative Bakterien haben zwei Membranen. Die äussere kann durch nicht-selektive Poren passiert werden, die ein Limit für die Grösse des Moleküls bedeuten, das eingeschleust werden soll (Hindernis 1). Die innere Membran muss dann mit Hilfe selektiver Transportproteine passiert werden, und diese Selektivität ist Hindernis 2.
In früheren Arbeiten konnten wir zeigen, dass man Hindernis 2 umgehen kann, indem man an die Zielverbindung, die man gern in der Zelle hätte, eine Sulfonatgruppe anhängt. Sulfonattransporter weisen nur eine geringe Selektivität auf. So bekommt man chemische Moleküle recht zuverlässig in die Zelle, aber man muss dort dann die Sulfonatgruppe wieder entfernen - Hindernis 3 auf dem Weg in eine Bakterienzelle. Das Entfernen kann man durch eine Variante eines Enzyms namens gamma-Glutamyltransferase erreichen.
Hier wollen wir die Methoden etablieren, die es uns erlauben, alle drei Hindernisse zu überwinden. Dabei verwenden wir "gerichtete Evolution", um Proteinfunktionen (Poren, Transporter, Enzyme) durch das Wechselspiel von Mutation und Selektion auf ein vorgegebenes Ziel hin zu verändern. Dazu müssen wir in vivo (in Zellen) und in vitro (zellfrei) Methoden aufstellen, mit denen wir im Hochdurchsatz veränderte Proteine auf neue Funktionen testen können.
Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forshcungsprojekts
Dieses Projekt hat eine starke angewandte Komponente, da die Verfahren und Proteine, die wir hier entwickeln, für eine Reihe von Entwicklungen in der produzierenden Biotechnologie wichtig sein werden. Es sollte in der Zukunft dann sehr viel einfacher und schneller möglich sein, neue Stoffwechselwege zu konstruieren.
Es gibt aber auch eine fundamentale Komponente. Zur Zeit gibt es vielfältige Anstrengungen, die Biochemie des Lebens zu erweitern - neue Aminosäuren in Proteine einzubauen, neue Vitamine für neue Enzyme bereitzustellen, oder sogar neue genetische Polymere (eine Alternative zur DNS) zu entwickeln. Alle diese Moleküle müssen zuerst das Innere eines Bakteriums erreichen - und wir glauben, dass das durch dieses Projekt sehr viel einfacher werden wird.