Genaktivität als Kontrollfunktion
Im Verlauf einer Fermentation ändern sich Art und Menge der Genprodukte, die die Bakterien ausscheiden. Henkel-Experten haben herausgefunden, welche Gene die Bakterien zu welchem Zeitpunkt vereinfacht ausgedrückt ein- oder ausschalten, und was das für den Erfolg der Fermentation bedeutet. So können sie die Aktivität der Gene schon während der laufenden Fermentation messen. Hinter den bahnbrechenden Ergebnissen steckt die langjährige Forschungsleistung eines ganzen Kompetenznetzwerks aus industriellen und akademischen Partnern.
Liefert Momentaufnahmen der Fermentation: der DNA-Chip
Henkel entwickelte in Kooperation mit der Universität Göttingen einen DNA-Chip. Beim DNA-Chip handelt es sich um ein Hochdurchsatzverfahren – dies bedeutet, dass die gleichzeitige Analyse einer großen Anzahl von Genen oder Genprodukten möglich ist. Der DNA-Chip ist nicht viel größer als eine Münze und besteht aus Glas oder Kunststoff. Er ist in viele kleine Felder unterteilt; und auf jedem dieser kleinen Felder ist ein bestimmtes Gen fixiert, sodass dessen Position auf dem Chip genau festgelegt ist. Daher wird ein solcher Chip auch DNA-Array genannt (englisch „array“ = Anordnung). Alle etwa 4.000 Gene eines Produktionsstamms können darauf positioniert werden. Um die biologischen Vorgänge in den Bakterien während der Fermentation zu untersuchen, entnehmen die Forscher in bestimmten Zeitabständen Proben und analysieren sie mithilfe der DNA-Chips. Spezifische Wechselwirkungen von Bestandteilen der Probe mit gebundenem Material auf dem Array werden über eine Farbreaktion sichtbar gemacht. Das Ergebnis ist eine Momentaufnahme vom Zustand der Bakterien. Anschließend werden die Daten mit Methoden der Bioinformatik statistisch ausgewertet, um eine zuverlässigere Aussage über das Ergebnis des Experiments zu erhalten. Allerdings dauert diese Analyse bis zu fünf Tage und ist daher für eine schnelle Analyse des Fermentationsprozesses ungeeignet.
Schnelle Analyse mit dem elektrischen BioChip
Da der DNA-Chip mit allen Genen des Bakteriums (etwa 4.000 Gene) für eine schnelle Analyse ungeeignet ist, haben die Henkel-Forscher zusammen mit der Universität Greifswald einen elektrischen BioChip entwickelt. Im Unterschied zum DNA-Chip enthält der elektrische BioChip nur wenige Marker-Gene. Die Aktivität der Marker-Gene dient dabei als Maß für die Produktivität der Bakterien. Bei dem elektrischen BioChip laufen Probenentnahme und Aufbereitung automatisiert; das Analysegerät misst elektrische Signale, die auf dem Chip erzeugt werden. Das Ergebnis erhalten die Wissenschaftler in weniger als einer Stunde – statt wie früher erst mehrere Tage nach Ende der Fermentation mit dem DNA-Chip. So ist es erstmals möglich, die Erkenntnisse im laufenden Prozess direkt umzusetzen und zu testen. Produktivitätsschwankungen in industriellen Fermentationen lassen sich so vermeiden und neue Produktionsstämme schneller entwickeln.
