Institutsaufgaben
Institutsgeschichte, Forschung und Lehre
Institutsgeschichte:
Unter Leitung von Professor Hans-Joachim Knackmuss (1986-2001) wurde das Institut für Mikrobiologie der Universität aufgebaut und widmete sich der Entwicklung aerober, mikrobieller Systeme für die Eliminierung von Problemstoffen synthetischen Ursprungs. Diese Ausrichtung wurde ab 1988 durch Arbeiten von Frau Prof. Dr. Gabriele Diekert (jetzt: Institut für Mikrobiologie, Friedrich-Schiller-Universität Jena) auf anaerobe Systeme erweitert, die sich unter anderem beim Abbau von synthetischen Stoffen wie hoch chlorierten Kohlenwasserstoffen, Polynitroaromaten und Azofarbstoffen als besonders effizient erwiesen haben.
Im Rahmen eines übergreifenden Forschungsschwerpunktes Bioverfahrenstechnik war im Jahre 1986 die Einrichtung der Mikrobiologie an der Universität Stuttgart der erste Schritt, anwendungsorientierte Grundlagenforschung zu fördern. Im Jahre 1993 wurde das Zentrum für Bioverfahrenstechnik in unmittelbarer Nachbarschaft zum Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik fertig gestellt. Somit sind ideale Voraussetzungen für interdisziplinäre Forschungsarbeiten gegeben.
Seit 1. April 2003 steht das Institut unter der Leitung von Professor Georg Sprenger, der zuvor am Institut für Biotechnologie des Forschungszentrums Jülich tätig war.
Aufgaben des Instituts in der Forschung:
Mit der Berufung von Prof. Sprenger wurde der Schwerpunkt der Forschungsinteressen des Instituts verlagert auf Stoffwechselleistungen von Mikroorganismen zur Gewinnung von niedermolekularen Wertstoffen (Aminosäuren, Vitamine, seltene Zucker) und von Bausteinen für organische Synthesen, die durch chemische Synthesen schwer zugänglich sind. Wir untersuchen daneben den Auf- und Abbau von Biopolymeren (Polyhydroxyalkanoate, Isoprenverbindungen, Kautschuk) und optimieren mikrobielle Nitrilasen und Nitrilhydratasen, die zur stereoselektiven Synthese von Wertstoffen Verwendung finden können. Neben der klassischen Isolierung von Mikroorganismen aus Umweltproben gehören zu unserem Methodenspektrum die Klonierung und Überexpression von Genen, die Reinigung und funktionelle Charakterisierung von Enzymen, sowie die Analytik von Metaboliten durch moderne Chromatographie-Methoden (GC, HPLC).
Metabolic Grafting bei Escherichia coli:
Mit dem molekulargenetisch gut untersuchten Mikroorganismus Escherichia coli sind durch gezielte Veränderungen im genetischen und Stoffwechselrepertoire des Bakteriums (Metabolic Grafting) bereits erhebliche Fortschritte in der Herstellung aromatischer Aminosäuren (z.B. L-Phenylalanin) erzielt worden. Diese Arbeiten werden derzeit von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) unterstützt und zielen auf die Verwendung von (Roh)-Glyzerin als nachwachsendem Rohstoff (Koppelprodukt aus der Biodieselproduktion).
In früheren Arbeiten (durch das BMBF gefördert) war in Kooperation mit der Fa. DSM Biotech Jülich und mit der Arbeitsgruppe von Prof. Michael Müller (jetzt Universität Freiburg) die mikrobielle Gewinnung verschiedener Feinchemikalien erreicht worden, die von Chorismat, einem wichtigen Metaboliten des Aromatenbiosyntheseweges, abgeleitet sind. So wurden bisher nicht zugängliche Bausteine für organisch-chemische Synthesen verfügbar gemacht, wie z.B. die Transdiole 2,3-dihydro-dihydroxy-Cyclohexadien-Carboxylat (2,3-CHD) und 3,4-Transdiol (3,4-CHD) (Sprenger 2007 Appl. Microbiol. Biotechnol. 75:739-749) sowie das entsprechende Aminocyclitol 3,4-CHA.
In einem Projekt des Zentrums für Systembiologie (CSB) der Universität Stuttgart werden in Kooperation mit der AG Prof. Sawodny (ISYS) E. coli-Mutanten in Chemostaten selektioniert und untersucht, die in der Lage sind, den zentralen Metaboliten Pyruvat über „Umwegstoffwechselwege“ zu bilden (Feuer et al. 2008 at-Automatisierungstechnik 68: 257-268). Dies wird einerseits durch molekulargenetische und proteinbiochemische Methoden (2D-Gelelektrophorese von Proteinen) und andererseits seitens der Systembiologie (ISYS) untersucht.
Kürzlich wurden im Rahmen eines Projekts des DFG-Sonderforschungsbereichs SFB 706 - in Kooperation mit der AG von Prof. Matthias Reuss (IBVT)- E.coli-Stämme erhalten, die durch Expression von Genen aus photosynthetischen Organismen in der Lage sind, die Vitamin E-Verbindung d-Tocotrienol zu erzeugen (Albermann et al. 2008, ChemBioChem, 9: 2524-2533).
In einem DFG-geförderten Projekt (Schwerpunktprogramm SPP1170) suchen wir mit Hilfe der gerichteten Evolution nach Varianten des Enzyms Transaldolase, die neue Reaktionseigenschaften aufweisen. Kürzlich konnten wir zeigen, dass ein einzelner Aminosäureaustausch im aktiven Zentrum des E. coli-Enzyms zu einer neuen Eigenschaft führt und die Bildung von Fruktose-6-Phosphat aus Dihydroxyaceton und Glycerinaldehyd-3-Phosphat ermöglicht (Schneider et al. 2008, J. Biol.Chem. 283: 30064-30072).
Metabolismus von PHB, Kautschuk und Terpenen:
In der Arbeitsgruppe von apl. Prof. Jendrossek werden schwerpunktmäßig drei Themenkomplexe behandelt: (i) der Metabolismus von Polyhydroxybuttersäure (PHB) in Bakterien bildet den Forschungsschwerpunkt. Hierbei werden die biochemischen Grundlagen des extrazellularen Abbaus und der intrazellulären Wiederverwertung des Speicherstoffes PHB ergründet. Dabei stehen PHB Depolymerasen im Vordergrund. Mit Hilfe dieser Enzyme ist es möglich, (R)-3-Hydroxybuttersäiure enantiomerenrein aus einfachen Ausgangsstoffen (Glucose) herzustellen. Seit kurzem wird auch die Biogenese von PHB-Granula in vivo thematisiert. (ii) In einem zweiten Forschungsgebiet wird die enzymatische Spaltung von Kautschuk (Poly-cis-1,4-isopren) durch eine bakterielle Dihäm-Dioxygenase (rubber oxygenase RoxA) untersucht. (iii) Im dritten Forschungsgebiet steht der Katabolismus niedermolekularer Aromastoffe mit Terpengrundgerüst (Citronellol, Geraniol) durch Pseudomonas aeruginosa über den noch wenig bekannten acyclic terpene utilization Abbauweg (Atu pathway) im Vordergrund.
Mikrobieller Abbau umweltbelastender Substanzen:
In der Arbeitsgruppe von apl. Prof. Andreas Stolz werden verschiedene Aspekte des mikrobiellen Abbaus naturfremder, umweltbelastender Substanzen untersucht. Hierbei wird insbesondere der mikrobielle Abbau aromatischer Sulfonsäuren und Azofarbstoffe untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der molekularen Charakterisierung Fremdstoffe abbauender Bakterien der Gattung Sphingomonas und ihrer degradativen Plasmide. Des Weiteren erfolgen Arbeiten zur Charakterisierung und Modifizierung von ringspaltenden Dioxygenasen, die eine essentielle Bedeutung im Abbau aromatischer Verbindungen besitzen. Ein weiteres aktuelles Arbeitsgebiet besteht in der Anwendung und Charakterisierung Nitrile hydrolysierender Mikroorganismen und Enzyme, die vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Biotechnologie aufweisen. Hierbei werden durch gezielte Veränderungen Mutanten mit veränderten Substratspezifitäten und Enantioselektivitäten generiert sowie versucht, durch Kombination rekombinanter Gene aus verschiedenen Organismen neuartige Biokatalysatoren zu erzeugen.
Ein reger Austausch von Wissenschaftlern mit externen Instituten oder anwendungsorientierten Firmen dokumentiert vielfältige internationale Kooperationen mit Forschungseinrichtungen im europäischen sowie außereuropäischen Ausland.
Lehre:
Das Institut ist maßgebend am Lehrangebot des Studiengangs „Technische Biologie“ der Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik beteiligt. Zum Lehrangebot gehören, u.a., Vorlesungen zur Mikrobiologie (I, II) im Grundstudium sowie zur mikrobiellen Biotechnologie, mikrobielle Biosynthesen und Biotransformationen und Mikrobiologie III im zweiten Studienabschnitt, sowie. Entsprechend werden ein Grundpraktikum und zwei weitere Praktika für Fortgeschrittene angeboten, daneben ein Literaturseminar und das Mikrobiologische Seminar.
Einrichtungen:
Apparative Ausstattung zur Kultivierung von Mikroorganismen, Analyse von Stoffwechselaktivitäten und Produkten (GC, HPLC) sowie zur Enzymreinigung und Charakterisierung. Ausstattung für genetisches Arbeiten (PCR, Sequenzierer, etc.).
Zielgruppen:
Industrieunternehmen und bioorganisch orientierte Synthesechemiker, die an neuartigen, präparativen Zugängen zu Feinchemikalien interessiert sind.
Industrieunternehmen mit fremdstoffbelasteten Abluft- und Abwasserströmen sowie Bodenkontaminationen. Kommunen, Einrichtungen des Bundes, Chemische Industrie.