Biosynthese in Hydrogelen statt in lebenden Zellen

Das System soll dabei auch in einem Durchflussverfahren genutzt werden können, bei dem Ausgangsstoffe zugegeben werden können und das Produkt abgeleitet. Die die Reaktion katalysierenden Enzyme seien dabei reversibel an die Matrix der Mikrogele gebunden. Wenn ihre Funktion durch natürliche Degeneration nachlässt – die Halbwertszeit liege derzeit bei einigen Tagen, so der Forscher –, können sie im System durch frische ersetzt werden.

„Wir haben in einem anderen Forschungsansatz aber auch den gesamten Weg der Proteinbiosynthese in die zellfreien Systeme einbauen können“, sagt Thiele. Dabei werden ausgehend von DNA und einer aus Escherichia coli extrahierten Synthesemaschinerie Proteine über den Weg von Transkription und Translation  im Inneren der Mikrogele (bio)synthetisiert. Diese zellfreie Proteinbiosynthese sei gegenüber Zellsystemen sogar schneller als in vivo, auch mit höherer Proteinausbeute.

„Vorteil des Systems ist ganz klar die Variabilität der Hydrogele sowie ihre Wiederverwendbarkeit“, sagt Thiele. Die Mikrogele, die je nach benötigten Reaktionswegen oder Eigenschaften der Enzyme durch verschiedene Vernetzung in Größe, Dichte und Struktur anpassbar sind, könnten immer wieder neu beladen werden. Im Unterschied zum in vivo-System mit lebenden Zellen ließen sich im Falle von Proteinsynthese auch modifizierte Aminosäuren einbauen, die nicht zu den 21 biogenen Aminosäuren gehören.

Grundstoffe für andere Wirkstoff-Synthesen

Auch derzeit noch teure Vorstufen im Polyketidweg wie Acetyl-CoA, ein Grundprodukt mit Schlüsselrolle in vielen Biosynthesewegen in der Zelle, können laut Thiele künftig im zellfreien Mikrogel-System gewonnen werden und als Grundstoff für andere Wirkstoff-Synthesen dienen.

Gemeinsam mit anderen Forschungsgruppen ist Thieles Nachwuchsgruppe eingebettet in den Leibniz Research Cluster. Die Wirkstoff-Synthese über Enzymkaskaden wird dabei von verschiedenen Gruppen weiterentwickelt. „Die nächste Herausforderung ist nun ein funktionierendes ‚Upscaling‘ der Mikrogele in den großtechnischen Bereich“, sagt Thiele.