Forschende am Department für Biotechnologie der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) und des Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib) haben einen Genschalter in Hefe entdeckt, der vor Jahrmillionen zwölf Gene gleichzeitig verändert und dadurch den Hefe-Stoffwechselprozess angekurbelt hat. Die in Nature Communications veröffentlichten Forschungsergebnisse bergen großes Potenzial in der Lebensmittelproduktion, der Erzeugung von Biotreibstoffen oder zur Entwicklung von Grundstoffen für Bioplastik.

Hefe ist in aller Munde. Ob beim Bierbrauen, der Weinherstellung oder während des Brotbackens – seit Jahrhunderten nutzt der Mensch die erstaunlichen Fähigkeiten der Hefe, nämlich Zucker in Alkohol und Kohlendioxid in Form der Gärung umzuwandeln. "Obwohl Hefearten wie Saccharomyces cerevisiae, auch als Bäckerhefe bekannt, als Modellorganismen für Laborexperimente und Produktionsplattform zur Herstellung von Bioethanol mittlerweile gut untersucht sind, ist bisher nur wenig über die Entstehungsgeschichte der Hefe bekannt", erklärt Diethard Mattanovich, Professor am Department für Biotechnologie der Universität für Bodenkultur Wien. Eine zufällige Entdeckung sollte dies nun ändern: "Während eines früheren Forschungsaufenthaltes an der BOKU als Dissertantin der Technischen Universität Ankara fand Özge Ata einen einzelnen Genschalter, der in evolutionär 'alten' Hefen alle Prozesse der Gärung ankurbelt und sie so zu einer modernen, gärenden Hefe macht", freut sich Mattanovich. Die Forschungsergebnisse, die durch ein Stipendium des OeAD abgeschlossen werden konnten, wurden jüngst im renommierten Fachjournal Nature Communications publiziert.

Zwölf Gene auf einen Streich

Diese Genmutation, so die Erkenntnisse der BOKU-ForscherInnen, hängt mit der Entwicklung zuckerreicher Früchte vor etwa 150 Millionen Jahren zusammen. Parallel zu den ersten früchtetragenden Pflanzen entwickelten einzellige Hefe-Pilze die Fähigkeit, Zucker rasch in Alkohol und Kohlendioxid umzusetzen, wodurch sie schneller als andere Mikroorganismen wachsen konnten. Ob zufällig oder um sich besser auf die sich verändernden Umweltbedingungen anzupassen, "fand bei der Hefe eine erstaunliche und komplexe Stoffwechseländerung statt, indem zwölf Gene gleichzeitig verändert wurden", so Mattanovich, der hinzufügt: "Den dafür verantwortlichen Genschalter, ein Protein, muss man sich dabei wie das Stellwerk einer Eisenbahn vorstellen, das mehrere Weichen koordiniert schaltet."

Evolution im Labor

Wofür die Evolution mehrere Millionen Jahre benötigte, können die ForscherInnen nun in wesentlich kürzerer Zeit simulieren: "Indem wir den Schlüssel für die Evolution der Hefegärung in der Hand haben, wollen wir mithilfe der Laborevolution den gesamten Prozess nachbilden und herausfinden, wie unterschiedliche Eigenschaften im Stoffwechsel der Hefe funktionieren, warum sie entstehen und ob sie auch auf andere Hefearten übertragen werden können", so Özge Ata über ihre wissenschaftliche Zukunft.

Neue Hefe-Werkzeuge und Produkte

Die Forschungsergebnisse können einerseits dazu beitragen, die Leistungen von Hefen weiter zu verbessern und andererseits bessere Hefe-Werkzeuge für die Industrie zu entwickeln: "Ziel ist, die Eigenschaften anderer Hefeplattformen, wie etwa Pichia pastoris oder die Fetthefe Yarrowia lipolytica stabiler zu machen, um Produkte erzeugen zu können, für die die Bäckerhefe weniger gut geeignet ist", so Mattanovich, der damit die Herstellung von Produkten wie Zitronen-, Milch- oder Fettsäuren anspricht. Die Projektergebnisse könnten zukünftig der (Weiter)Entwicklung von Bioraffinerien zur Herstellung von Treibstoffen wie Bioethanol, oder der Produktion von Bioplastik aus erneuerbaren Rohstoffen mit Hilfe von Hefe dienen.

Referenz Paper – Ata Ö, Rebnegger C, Tatto NE, Valli M, Mairinger T, Hann S, Steiger MG, Çalık P, Mattanovich D. (2018) A single Gal4-like transcription factor activates the Crabtree effect in Komagataella phaffii, Nature Communications, 9:4911 doi: 10.1038/s41467-018-07430-4


29.11.2018