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Biotechnologie für Chemiker, Teil 2

Stoffwechsel und Biochemie, ein paar Info's

Hat man sich für einen Mikroorganismus entschieden, wendet man sich den biochemischen Pfaden zu, die für die Bildung des jeweiligen Produkts bzw. Moleküls notwendig sind.

Für die Methanbildung eignen sich Archaeen, denn sie arbeiten anaerob, also unter anoxischen Bedingungen. Bei der Methanogenese entsteht das Methan entweder aus Kohlendioxid und "Wasserstoff" oder aus Essigsäure unter der katalytischen Wirkung verschiedener Enzyme. Des Weiteren ist die Methanogenese eine exergone Reaktion, d.h. es wird sogar Energie frei.
I) hydrogenotrophe Methanbildner CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
II) acetoklastische Methanbildner CH3COOH → CH4 + CO2
Neben diesen beiden Hauptwegen, die die meisten Archaeen aufweisen, gibt es noch viele weitere Nebenwege, die ebenfalls zur Methanbildung beitragen.

Bei Bakterien gibt es hauptsächlich aerobe Mikroorganismen, die Sauerstoff zur Zellatmung brauchen, und damit Energie in Form von ATP gewinnen. Die Glykolyse, der Zitronensäurezyklus und die Atmungskette als Teil des Primärstoffwechsels sind verbunden mit dem Sekundärstoffwechsel, in dem ebenfalls interessante Moleküle sind.
Acetobacter wandelt Ethanol in Essigsäure um. Seit langem wird Speise-Essig (5 %) auf diese Art und Weise bei verschiedenen Firmen hergestellt. Der Gehalt kann allerdings nur bis auf 15 % Essigsäure gesteigert werden, mehr nicht. Hintergrund dafür ist, daß die erforderlichen Enzyme bei höheren Konzentrationen und den damit verbundenen niedrigeren pH-Werten inaktiviert werden.
Lactobacillus wandelt Glucose in Milchsäure bzw. Lactat um. In der Glykolyse erhält man aus einem Molekül Glucose über mehrere Zwischenstufen zwei Moleküle Pyruvat, aus dem anschließend durch Reduktion der Ketogruppe mit NADH das Lactat entsteht.
Clostridium acetobutylicum ermöglicht die Herstellung von Aceton, 1-Butanol und Ethanol sowie Essigsäure und Butansäure mit Glucose als Substrat. Hier spielen spezielle Abbauwege eine Rolle, so daß sich auch C3 und C4-Körper bilden können.

Bei den Eukaryoten ist der bekannteste Vertreter die Hefe (Saccharomyces cerevisae), die in einem anaeroben Prozeß Glucose mit Hilfe von Enzymen in Ethanol und Kohlendioxid umwandelt. Hefezellen sind omnipräsent in unserer Welt und seit langem bekannt. Läßt man Apfelsaft stehen, so wandelt er sich langsam in Most um. Hefe gehört zu den einzelligen Pilzen. In der Gruppe der Pilze gibt es noch weitere interessante Vertreter, wie z. B. Penicillium chrysogenum, mit dem Penicillin-Antibiotika hergestellt werden können, oder auch Ashbya gossypi mit dem man Vitamin B2 herstellen kann. Pilze und ihre Zellen sind generell wichtig für die Biotechnologie, da mit ihnen viele interessante Moleküle hergestellt werden können.

Die Basis für alle chemische Umwandlungen in den Zellen stellen die Enzyme dar, deren Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur für deren Funktion und spezifische Katalyse wichtig sind. Die Enzymaktivität kann über die Temperatur, den pH-Wert, die Salzkonzentration, Cofaktoren, Vitamine, aber auch durch Hemmstoffe unterschiedlicher Art verändert werden.
So hat jedes Enzym einen Optimalwert für jede der genannten Einfluß-größen. Da die Menge an benötigtem Enzym nicht zu jedem Zeitpunkt immer gleich ist, gibt es eine Rückkopplung zu den Genen, über die die Regulation der Proteinbiosynthese gesteuert werden kann (Operonmodell, Genregulation). Des weiteren gibt es auch die allosterische Hemmung, die Enzyme deaktiviert, indem die Tertiärstruktur verändert wird.

Die Glykolyse und der Zitronensäurezyklus, einschließlich der mit diesem verbundenen Sekundärstoffwechsel, spielt eine große Rolle, da hierüber verschiedenste Synthesewege für chirale Stoffe unterschiedlichster Art laufen. Dabei nutzt man die Möglichkeit Enzyme in Ihrer Aktivität zu hemmen, um einen Stoff anzureichern. Im Falle der Zitronensäure geschieht dies durch ein Änderung des pH-Werts auf pH 2 bis 3. Das Enzym Aconitase, das die Umwandlung in Aconitsäure katalysiert wird so gehemmt. Hinzu kommt die Entfernung von Fe(II)-Ionen durch Komplexierung, da diese als Cofaktor bei der Aconitase wirken. Dadurch reichert sich Zitronensäure an und kann nach der Fermentation im anschließenden Downstreamprozeß gereinigt und weiter aufkonzentriert werden.
Ein weiteres Beispiel ist die Möglichkeit der Gewinnung von Alanin bzw. Glutaminsäure durch Transaminierung von α-Ketocarbonsäuren, wie z.B. die Brenztraubensäure (→ Alanin) oder die α-Ketoglutarsäure (Glutaminsäure). Auch hier sind wieder Enzyme aktiv, die diese spezifische Umwandlung katalysieren.

Der Stoffwechsel ist eng verbunden mit den Proteinen und diese wiederum mit den Genen. Alles zusammen ergbt ein z. T. sehr komplexes Regelwerk, das es zu steuern gilt, wenn biotechnologisch etwas hergestellt werden soll.

Biotechnologie für Chemiker

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