Metabolic Engineering
Metabolic Engineering ist ein Zweig der Bioingenieurwissenschaften, der sich mit der Verwendung von Ingenieurprinzipien zur gezielten Optimierung von Stoffwechselwegen in lebenden Zellen befasst. Das Ziel besteht darin, den Stoffwechsel organischer Systeme, wie Mikroorganismen oder Pflanzen, zu verändern, um die Produktion von nützlichen Produkten wie Arzneimitteln, Biokraftstoffen oder chemischen Vorprodukten zu erhöhen.
Natürliche Stoffwechselwege in lebenden Organismen sind oft komplex und es ist daher herausfordernd, diese Wege gezielt zu modifizieren. Metabolic Engineering versucht, dieses Problem zu lösen, indem es auf Prinzipien der Biochemie, Genetik und Biotechnologie zurückgreift, um Stoffwechselwege zu verändern oder neu zu gestalten.
Zu den grundlegenden Strategien des Metabolic Engineering gehört die Überexpression von Enzymen oder Enzymkaskaden, die in einem bestimmten Stoffwechselweg aktiv sind, um den Fluss von Vorläufermolekülen in den gewünschten Pfad zu leiten. Eine andere Strategie ist die Blockade von Wegen, die nicht zur gewünschten Produktbildung beitragen oder sogar konkurrierende Produkte erzeugen, um den Fluss der Vorläufermoleküle in den gewünschten Pfad umzuleiten.
Ein weiteres wichtiges Konzept im Metabolic Engineering ist die Verwendung von Metaboliten, die als Signalstoffe fungieren können, um die Aktivität von Enzymen und Stoffwechselwegen zu regulieren. Durch die Zugabe von spezifischen Signalstoffen können Enzymaktivitäten erhöht oder verringert werden, um den Stoffwechselweg in eine bestimmte Richtung zu lenken.
Die genetische Modifikation von Organismen ist ein wichtiger Aspekt des Metabolic Engineering. Hierbei werden Gene aus anderen Organismen in den Zielorganismus eingeführt oder Gene des Zielorganismus verändert, um die Funktion von Enzymen zu verbessern oder neue Enzyme einzuführen. Dadurch können die Enzyme gezielt auf die Synthese von gewünschten Produkten ausgerichtet werden.
Metabolic Engineering ist in vielen Anwendungen weit fortgeschritten, z.B. bei der Herstellung von Biokraftstoffen und Arzneimitteln. Es gibt auch vielversprechende Ansätze in der Herstellung von Bio-Kunststoffen und anderen industriell relevanten chemischen Verbindungen. Die Verwendung von Metabolic Engineering hat das Potenzial, die Produktion von biologischen Produkten effizienter und nachhaltiger zu gestalten und könnte in Zukunft eine wichtige Rolle in der biobasierten Wirtschaft (Bioökonomie) spielen.