SynBio

Synthetische Biologie

iGEM (International Genetically Engineered Machine) ist ein weltweiter Wettbewerb im Feld der synthetischen Biologie. Die synthetische Biologie bringt ingenieurswissenschaftliche Prinzipien in die Molekularbiologie und stellt somit ein weites, interdisziplinäres Feld in den Natur- und Ingenieurswissenschaften dar. Ihr Fokus liegt auf der Entwicklung synthetischer, biologischer (oder biologisch inspirierter) Systeme, welche in der Natur nicht vorkommen. Diese biologischen Systeme reichen in ihren Größenordnungen von einzelnen Molekülen (z.B. einzelnen Proteinen) über ganze Zellen bis hin zu Geweben und höheren Organismen. [1]

Unser diesjähriges Ziel ist die Entwicklung eines auf dem Mikroorganismus Escherichia coli basierenden biologischen Systems zur spezifischen Synthese von zwei sich in ihrem Deacetylierungsmuster unterscheidenden Chitosanen. Chitosan ist ein auf Chitin (z.B. enthalten in dem Exoskelett mancher Insekten und Krebstiere) basierendes Biomolekül mit vielfältigen Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten. Zur Entwicklung dieses Systems wird synthetische DNA in E. coli Zellen gebracht. Diese bewirkt daraufhin die Bildung von Proteinen, die ursprünglich aus anderen Organismen stammen. Zur Synthese der beiden Chitosane werden insgesamt drei neue Enzyme benötigt, die als Katalysatoren chemischer Reaktionen fungieren. Chitosan wird durch eine chemische Veränderung (Deacetylierung) von Chitinmolekülen gewonnen. In diesem Rahmen werden zunächst über eine Chitinsynthase (Enzym I) Chitinpentamere (Chitinmoleküle mit fünf Untereinheiten) aus N-Acetylglucosamin synthetisiert. Diese Chitinpentamere werden im Anschluss über zwei verschiedene Chitindeacetylasen (Enzyme II und III), welche spezifisch und voneinander unabhängig „an-“ und „ausgeschaltet“ werden können, partiell deacetyliert. Die verwendeten Chitindeacetylasen deacetlyieren die Chitinpentamere hierbei nicht vollständig und an unterschiedlichen Positionen. Es können daher zwei verschiedene Chitosane unabhängig voneinander synthetisiert werden. Eine enzymatische Synthese von Chitosanen unterschiedlicher Deacetylierungsmuster ist technisch interessant, da unterschiedliche Deacetylierungsmuster unterschiedliche Eigenschaften der Chitosane bewirken. Darüberhinaus stellt eine nicht enzymatische, chemische Vollsynthese ein äußerst komplexes Problem dar. Eines unserer Projektziele ist es, ein biologisches Synthesesystem zu entwickeln, was am Beispiel zweier verschiedener Chitosane eine Möglichkeit einer orthogonalen, spezifischen Chitosansynthese darstellt.