Prof. Dr. Wolfgang Streit

In einem der zentralen Forschungsgebiete nutzen wir die Metagenomik (Genome aller Mikroorganismen), um neue Biokatalysatoren und andere wertvolle Biomoleküle für unterschiedliche Anwendungen der Biotechnologie bereit zu stellen. Ein zentraler Aspekt unserer Forschung liegt in der Nutzbarmachung der nicht-kultivierten Organismen bzw. deren Metagenomen für die Biotechnologie. Heute weiß man, dass 99 % aller Mikroorganismen nicht oder nur schwer kultivierbar sind. Dieses nahezu unbegrenzte Potential neuer Enzyme und Moleküle wollen wir nutzbar machen. Zur Nutzung dieses immensen Potentials entwickeln wir einerseits neue Technologien anderseits identifizieren wir viele Biokatalysatoren. Dies geschieht gleichermaßen vor dem Hintergrund der Grundlagen- und der angewandten Forschung.

• Biokatalysatoren aus dem Metagenom für die chemische Industrie: Mit Hinblick auf die Identifizierung und Bereitstellung von Biokatalysatoren haben wir zwar relativ unterschiedliche Enzymklassen bearbeitet, unser  Schwerpunkt liegt aber auf der Isolierung von Lipasen, Esterasen und anderen Hydrolasen für industrielle Anwendungen. Diesbezüglich verfügen wir mittlerweile über ein der größten Lipase/Esterase Enzymkollektionen mit über 150 aktiven und charakterisieren Biokatalysatoren (Metacat-Kollektion) und etwa 80 aktiven cellulolytischen Enzymen. Hinzu kommen Laktonasen, Hydrogenasen, Glykosyltransferasen, Decarboxlyasen und andere Enzyme, die wir oft bis zur 3D-Struktur charakterisiert haben. Bei unseren Arbeiten sind wir auch daran interessiert komplette neue Reaktionen und Enzyme zu identifizieren (Dark und Grey Matter-Proteine). Begleitend entwickeln wir meist Reporterassays zur Detektion der Reaktionen im Hochdurchsatzverfahren. Unsere Metagenom-Enzymkollektion bauen wir stetig aus, und sie bildet die Grundlage für viele unserer Forschungsprojekte.

• Enzyme für den Abbau von synthetischen Polymeren: Im Zuge der o. a. Metagenomsuchen haben wir vor wenigen Jahren damit begonnen PET-abbauende Enzyme zu isolieren.  Wir verfügen derzeit über etwa 60-PET-aktive Enzymen aus ganz unterschiedlichen Organismen, die in unseren Labors identifiziert und teilweise charakterisiert wurden. Gerade diese Enzyme stehen derzeit im Fokus von zwei BMBF-Projekten (LipoBiocat und Plastisea) und stellen weltweit die größte Kollektion solcher Enzyme dar.  Diese Arbeiten erweiterten wir derzeit auch auf andere Kunststoffe, für die es bisher keine bekannten Enzyme gibt. Prinzipiell gehen wir davon aus, dass nicht nur der Abbau von Interesse ist, sondern auch die Verwendung der Enzyme zur Synthese neuer bioabbaubarer Polymere und Materialien. Diese Arbeiten bilden derzeit die Grundlage für eine Reihe von laufenden Doktorarbeiten.

• Etablierung einer digitalen Plattform für Enzymsuchen: Eine Herausforderung bei vielen unserer Projekte, die wir oft in Zusammenarbeit mit Industriepartner durchführen, wird durch die relativ langen Laufzeiten bewirkt. Die übliche Entwicklungszeit beträgt dabei meist 3–5 Jahre, gerechnet von der Identifizierung des Enzyms bis hin zu ersten Upscaling Versuchen. Um diesen Zeitraum zu verkürzen, arbeiten wir mit Hochdruck an einer automatisierten Plattform. Wir wollen die Bereitstellung von robusten Enzymen oder ganzen Stoffwechselwegen für die Biotechnologie in relativ kurzen Zeiträumen von maximal 3–6 Monaten erreichen. Hier arbeiten wir an der Entwicklung von in vitro-Systemen, um einen wirklich schnellen Zugang zu den nicht-kultivierten Organismen zu erhalten. Ziel ist es dabei, in Kombination mit sequenzbasierter Metgenomsuche und in vitro Ansätzen einige 1000 aktive Enzyme in sehr kurzer Zeit für initiale Screening bereitzustellen und erst in einem zweiten Schritt in ein Upscaling einzusteigen. Die Plattform wird in wenigen Jahren verfügbar sein. Derzeit können wir etwa 30–50 Enzyme innerhalb sehr kurzer Zeit bereitstellen.

Mikrobielle Biofilme sind oft unerwünschte Aufwüchse auf Oberflächen und sie stellen sowohl im klinischen als auch im industriellen Umfeld eine echte Herausforderung dar. 

• Biofilme – Detektion und Analytik: Die Biofilmanalytik und zuverlässige Diagnostik ist in der Industrie und auch im klinischen Umfeld oft sehr schwierig und aufwendig. Hierzu analysieren wir Metagenome- von komplexen Biofilmen und gewinnen so tiefe Einblicke in die Funktionsweise dieser Konsortien. Wir nutzen die ganze Bandbreite der omics-Analyse und auch Bild-darstellende Verfahren, wie die Elektronenmikroskopie, sind feste Bestandteile solcher Analysen. Auch die EPS-Analytik haben wir etabliert.

• Kontrolle und Steuerung von Wachstum an Grenzflächen: Hierzu arbeiten wir intensiv an der Aufklärung von Prozessen, die für die bakterielle Kommunikation bei der Biofilmbildung eine Rolle spielen. In diesem Forschungsgebiet interessiert uns vor allen Dingen, wie Mikroorganismen miteinander reden. Hier sind wir einerseits auf der Suche nach neuen Signalmolekülen, anderseits gehen wir auch der Frage nach, wie sich Wachstum in einem Biofilm gezielt steuern lässt. Dazu arbeiten wir sowohl mit gemischten Konsortien auf der Ebene von Gesamtpopulationen als auch im Bereich der Einzelzellanalyse. Bei diesen Arbeiten rekonstruieren wir zudem Multispeziesbiofilme und versuchen dabei die natürlichen Bedingungen im Prozess oder klinischen Umfeld nachzustellen. Auf diese Weise erhalten wir sehr tiefe Einblick in die 3D-Biofilmstrukturen und Omics.

• Vermeidung mikrobieller Biofilme: Prinzipiell ist es besser, Biofilme sehr früh im Wachstum zu inhibieren. Hier arbeiten wir zusammen mit den Kollegen aus der Chemie sowohl an enzymatischen als auch an Compound-getriebenen Ansätzen, um mikrobielle Biofilme zu inhibieren. Dabei haben wir erste Erfolge mit Enzymen erzielen können, die in die Zell-Zellkommunikation eingreifen, aber auch mit Molekülen aus der Stoffgruppe der Flavonoide und Diorcinole.  Das langfristige Ziel dieser Arbeiten ist es die Biofilmpopulation so zu verändern, dass sich keine (kaum) Biofilme bilden, oder aber eine rasche Ablösung stattfindet.

Methodisch ist die Gruppe aufgrund der Themenvielfalt sehr breit aufgestellt und verfügt über viel Expertise im Bereich der DNA- und RNA-Technologien, Genomik und Metagenomik, Transkriptomik, GC-, HPLC-Analytik sowie der Proteinaufreinigung. Zudem verfügt das Labor über Expertise im Umgang mit einer Reihe von Modellorganismen, die gerade in der Biotechnologie und industriellen Mikrobiologie von Bedeutung sind. Dazu zählen z. B. Pseudomonas sp., Burkholderia sp. und andere. Im Rahmen der biotechnologischen Arbeiten entwickeln wir zudem Mikroorganismen zur Produktion. Für alle Organismen haben wir genetische Systeme etabliert.  Letztendlich haben wir gerade in den letzten Jahren damit begonnen, die Einzelzelltechnologie im Labor zu etablieren und haben dazu ein erstes Lasertrapping-System etabliert. Zudem verfügen wir über 3D-Biofilm-Systeme und ein konfokales Laserscanning System zur Biofilmanalytik. Darüber hinaus entwickeln wir oft neue Techniken für den Nachweis von Enzymaktivitäten in den Metagenombanken.