Chinesische Forschende haben eine Hefeplattform entwickelt, die ein wertvolles Isoflavonoid aus der Heilpflanze Astragalus membranaceus produziert. Durch Rekonstruktion des gesamten biosynthetischen Wegs in Saccharomyces cerevisiae und systematische Beseitigung metabolischer Engpässe entstand die erste Hefestamm, der die Verbindung aus einfachen Kohlenstoffquellen herstellt. Isoflavonoide wie Formononetin, Calycosin und Calycosin-7-Glucosid sind Hauptbestandteile von Astragalus membranaceus, einer in traditionellen chinesischen Medizin weit verbreiteten Pflanze. Diese Moleküle wirken den Forschenden zufolge antioxidativ, entzündungshemmend und herzschützend, was die globale Nachfrage steigert. Pflanzliche Kultivierung ist jedoch langsam, umweltabhängig und erbringt nur geringe Erträge, selbst mit Techniken wie Haarbewurzelungskulturen oder UV-Induktion. Im Gegensatz dazu erreichen gentechnisch veränderte Mikroben bei verwandten Flavonoiden hohe Produktionsmengen innerhalb von Tagen statt Monaten. Bislang gelang die Produktion von Calycosin-7-Glucosid in Hefe nicht. Da der biosynthetische Weg von Daidzein aus bekannt ist, eignet sich die Verbindung als Testfall für eine mikrobielle Alternative zur Pflanzenextraktion. Aufgrund dieser Herausforderungen besteht Bedarf an einer robusten mikrobiellen Produktionsroute.

Die Studie des Teams um Jiazhang Lian von der Zhejiang University etabliert eine Hefe-basierte Plattform für die de-novo-Biosynthese von Calycosin-7-Glucosid. Diese bietet eine skalierbare und effiziente Alternative zur pflanzlichen Produktion hochpreisiger Isoflavonoide. Mit schrittweiser metabolischer Ingenieurtechnik und analytischer Strategie rekonstruierten die Forscher den de-novo-biosynthetischen Weg in Saccharomyces cerevisiae und optimierten ihn. Als Ausgangspunkt diente ein zuvor entwickelter Hefestamm, der Daidzein überproduziert. Bestimmte Gene wurden sequentiell integriert, um die Umwandlungskaskade von Daidzein zum Zielglucosid aufzubauen. Gezielte Gen-Knockouts, Verbesserung der Vorläuferversorgung, Enzymersatz und Optimierung der Genkopienzahl beseitigten metabolische Engpässe. Parallel wurde LC-MS-basierte Metabolomik eingesetzt, einschließlich selektiver Ionenüberwachung, Produkt-Ion-Fragmentierung und optimierter MRM-Quantifizierung, um Wegintermediate zu identifizieren und metabolische Flüsse in modifizierten Stämmen zu analysieren.

Dieser integrierte Ansatz enthüllte, dass die Einführung eines bestimmten Enzyms Formononetin-Bildung ermöglichte, während nachfolgende Expression eines Hydroxylases Intermediate schnell zu Calycosin umwandelte, was auf hohe Aktivität hindeutet. Die Integration des nativen Calycosin-7′-O-Glucosyltransferases führte jedoch nur zu Spurenmengen des Glucosids, was die Glykosylierung als primären Engpass identifizierte. Löschung endogener Glucosid-Hydrolasen, insbesondere eines spezifischen Gens, und Steigerung der UDP-Glucose-Versorgung erhöhten die Produkttiter moderat, lösten den Engpass aber nicht vollständig. Der Ersatz durch ein aktiveres Glucosyltransferase verschob den metabolischen Fluss dramatisch zu glykosylierten Produkten und steigerte das Verhältnis von Calycosin-7-Glucosid zu Calycosin um über drei Größenordnungen. Metabolitenprofiling zeigte, dass der Enzymwechsel die Häufigkeit mehrerer Nebenprodukte veränderte, was die Bedeutung upstream-Kontrollpunkte unterstreicht. Nachfolgende Optimierung der Genkopienzahl bewies, dass eine Erhöhung der Dosis eines frühen Enzyms den Wegfluss am effektivsten steigerte, während zusätzliche Kopien downstream-Enzyme begrenzten Nutzen brachten. Der optimierte Stamm erreichte einen finalen Titer von 0,22 Milligramm pro Liter Calycosin-7-Glucosid innerhalb von 48 Stunden, etablierte ein frühes Enzym als zentrales Ziel und unterstrich den Bedarf an fortgeschrittenen metabolischen Kontrollstrategien für weitere Verbesserungen.

Diese Arbeit schafft somit eine Proof-of-Concept-Plattform für die Produktion von Calycosin-7-Glucosid und verwandten Isoflavonoiden in Hefe. Langfristig könnten solche mikrobiellen Systeme die Abhängigkeit von Heilpflanzenkultivierung verringern, Lieferketten stabilisieren und Produktionskosten für pharmazeutische und nutraceutische Inhaltsstoffe senken. Über diese Verbindung hinaus liefert die Studie allgemeine Designprinzipien – Kombination von Metabolomik, Enzymscreening und Genkopienoptimierung –, die auf viele andere pflanzliche Naturprodukte anwendbar sind. Die Methode könnte die industrielle Herstellung bioaktiver Moleküle revolutionieren und zu nachhaltigeren Alternativen in der Medizin und Ernährung beitragen. Weitere Optimierungen, etwa durch fortschrittliche Gentechnik oder Fermentationsbedingungen, versprechen höhere Erträge und breitere Anwendungen.

Original Paper:

De novo biosynthesis of Astragalus bioactive isoflavonoid calycosin-7-glucoside in yeast – ScienceDirect

Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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