Bakterien ermöglichen effiziente, wachstumsgekoppelte Biosynthese von Xanthommatin

Die Fähigkeit von Tintenfischen, ihre Farbe zu verändern, wird durch das natürliche Pigment Xanthommatin ermöglicht, dessen Reproduktion außerhalb des Tierreichs lange eine chemische Herausforderung darstellte. Traditionelle Labormethoden zur Herstellung dieses komplexen Naturstoffs waren historisch langsam, kostspielig und wenig ergiebig. Wissenschaftler der University of California in San Diego, unter Beteiligung der Scripps Institution of Oceanography, stellten im November 2025 eine biotechnologische Methode vor, die diesen Herstellungsprozess grundlegend neu konzipiert.

Das Forscherteam nutzte einen gentechnisch veränderten Stamm des Bodenbakteriums Pseudomonas putida, um Prozesse nachzuahmen, die zuvor dem Tierreich vorbehalten waren. Anstatt die Produktion des Pigments zu erzwingen, was oft das Wachstum hemmt, entwickelten die Wissenschaftler die sogenannte „biosynthesis coupled to growth“ oder GrowBio-Strategie. Dieses System koppelte das Überleben der Mikroorganismen untrennbar an die Generierung von Xanthommatin, indem eine synthetische Formiat-Auxotrophie im P. putida Stamm PUMA (Pseudomonas auxotroph for MTHF) erzeugt wurde, welche die Biosynthese des essentiellen Kofaktors 5,10-Methylentetrahydrofolat (MTHF) blockierte.

Der zentrale Mechanismus dieses Ansatzes etablierte einen metabolischen Kreislauf: Jedes produzierte Xanthommatin-Molekül setzte Formiat frei, welches den C1-Mangel der auxotrophen Zelle behob und somit direkt das Zellwachstum förderte. Diese Symbiose, bei der das Eigeninteresse des Mikroorganismus mit dem Laborziel übereinstimmte, löste ein technisches Dilemma und etablierte einen neuen Optimierungsansatz für die mikrobielle Herstellung wertvoller Moleküle. Die innovative Methode steigerte die Produktionsraten um das Tausendfache im Vergleich zu früheren Verfahren, wodurch Gramm-Mengen des Pigments aus einfachen Zuckern wie Glucose realisiert werden konnten.

Zusätzlich nutzten die Forscher die adaptive Labor-Evolution, um die Effizienz autonom zu steigern, indem die Bakterien sich selbst für schnellere Wachstumsraten optimierten, die direkt mit der Pigmentproduktion korrelierten. Diese Skalierung von der Grundlagenforschung zur industriell relevanten Anwendung stellt einen bedeutenden Fortschritt in der synthetischen Biologie dar. Die Implikationen dieser Entwicklung reichen über Farbstoffe hinaus, da sie nachhaltige Alternativen zu umweltschädlichen chemischen Synthesen für eine breite Palette von Produkten, einschließlich Pharmazeutika und funktioneller Materialien, bieten.

Xanthommatin, das auch für die orange-roten Farbtöne von Insekten wie dem Monarchfalter verantwortlich ist, kann nun sauber, kontrolliert und reproduzierbar hergestellt werden. Die Verknüpfung von Wachstum und Produktion durch die Formiat-Freisetzung verkürzt die Optimierung von Biosynthesewegen drastisch, da die Organismen sich selbstständig verbessern. Dieses Modell positioniert die synthetische Biologie als Schlüsseltechnologie für eine biobasierte Zukunft und beschleunigt die Entwicklung neuer Materialien für Kosmetika, Beschichtungen oder Elektronik.