Forschende der Goethe-Universität Frankfurt haben die Fettsäuresynthase so umprogrammiert, dass sie Fettsäuren definierter Kettenlänge produziert. Durch gezielte Veränderungen des Enzyms lassen sich damit kürzere Fettsäuren herstellen, die bislang überwiegend aus Palm- und Kokosöl gewonnen werden. Der Ansatz adressiert einen zentralen Rohstoffbedarf zahlreicher Industriebranchen.
Die veränderte Fettsäuresynthase wurde in Zusammenarbeit mit einem Partnerlabor in China in Hefezellen integriert und für die biotechnologische Produktion optimiert. Die so erzeugten Fettsäuren können im Bioreaktor hergestellt werden und bilden die Grundlage für eine nachhaltigere Alternative zu pflanzlichen Ölen aus ökologisch problematischen Anbaugebieten.
Die Fettsäuresynthase als biotechnologisches Enzymsystem
Die Fettsäuresynthase (engl. Fatty Acid Synthase, FAS) ist ein multifunktionales Enzym, das in lebenden Zellen als hochintegrierter Komplex den Aufbau von Fettsäuren steuert. Dabei wird die wachsende Kohlenstoffkette schrittweise verlängert, bis eine definierte Endlänge erreicht ist. In ihrer natürlichen Ausprägung produziert die Fettsäuresynthase überwiegend Palmitinsäure mit 16 Kohlenstoffatomen, die als struktureller Bestandteil von Zellmembranen und als Energiespeicher dient.
„In dieser Funktion ist die FAS eines der wichtigsten Enzyme des Stoffwechsels einer Zelle und wurde für diese Aufgabe über viele Millionen Jahre optimiert“, erläutert Prof. Martin Grininger von der Goethe-Universität Frankfurt. Für industrielle Anwendungen sind jedoch andere Fettsäuren von Interesse. Benötigt werden vor allem kürzere Ketten mit sechs bis 14 Kohlenstoffatomen, die bislang nahezu ausschließlich aus Palm- oder Kokosnussöl gewonnen werden. Die Abweichung zwischen biologischer Standardfunktion und industriellem Bedarf bildete den Ausgangspunkt der Forschungsarbeiten.
Kontrolle der Kettenlänge durch Proteinengineering
Die Länge der von der Fettsäuresynthase produzierten Fettsäuren wird durch das Zusammenspiel mehrerer Untereinheiten bestimmt. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Ketosynthase, die die Kohlenstoffkette jeweils um zwei Atome verlängert, sowie die Thioesterase, die die fertige Fettsäure aus dem Enzymkomplex freisetzt. Das präzise Zusammenspiel dieser beiden Funktionseinheiten entscheidet darüber, wann die Synthese beendet wird.
„Wir haben uns dann gefragt, ob wir über die Analyse hinausgehen und FAS mit neuer Kettenlängenregulation bauen können“, sagt Grininger. „Wahres Verständnis fängt dann an, wenn man ein Phänomen verändern oder maßschneidern kann.“ Ziel war es, die natürliche Abbruchlogik der Fettsäuresynthase gezielt zu beeinflussen, um andere Kettenlängen zu ermöglichen.
Diese Fragestellung griff Damian Ludig in seiner Doktorarbeit auf. „Was können wir erreichen, wenn wir gezielt in das Zusammenspiel der beiden Untereinheiten eingreifen – das war die grundlegende Frage, die wir uns am Beginn meiner Doktorarbeit gestellt haben“, erklärt Ludig. Mithilfe von Proteinengineering nahm er zwei gezielte Veränderungen vor. „In der Ketosynthase-Untereinheit habe ich zunächst eine Aminosäure ausgetauscht, was dazu führte, dass Ketten ab einer bestimmten Länge nur mit geringer Effizienz weiter verlängert werden.“ Zusätzlich ersetzte er die Thioesterase durch ein verwandtes bakterielles Protein, das bevorzugt kürzere Fettsäuren abspaltet. Auf diese Weise konnten Fettsäuren kurzer und mittlerer Kettenlänge gezielt erzeugt werden.
Einsatz der Fettsäuresynthase in Hefezellen für die Produktion
Um die veränderte Fettsäuresynthase für eine praktische Anwendung nutzbar zu machen, arbeitete das Frankfurter Team mit der Arbeitsgruppe von Prof. Yongjin Zhou am Dalian Institut für Chemische Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zusammen. Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die National Natural Science Foundation of China wurden verschiedene Designer-Varianten des Enzyms in Hefestämme integriert und biotechnologisch optimiert.
Die resultierenden Hefezellen produzierten Fettsäuren mit zwölf statt der üblichen 16 Kohlenstoffatomen. Diese C12-Fettsäuren sind industriell besonders gefragt und bislang fast ausschließlich aus Palmkern- oder Kokosnussöl verfügbar. „Grundsätzlich liegt unser Vorteil in der sehr präzisen Kontrolle der Kettenlänge. Wir können theoretisch jede Kettenlänge machen und zeigen das am Beispiel der C12 Fettsäure, die man ansonsten nur aus Palmkernen oder Kokosnuss bekommt“, so Grininger.
Beide beteiligten Arbeitsgruppen haben ihre Technologien zum Patent angemeldet. Während auf chinesischer Seite das Unternehmen Unilever in das Projekt eingebunden war, entstand die Entwicklung im Frankfurter Labor bislang ohne direkte Industriebeteiligung. „Unsere Entwicklung hat bislang ohne Industriebeteiligung stattgefunden, jedoch streben wir eine Zusammenarbeit mit einem Industriepartner an, um die Technologie in die Anwendung zu bringen“, erklärt Grininger. Die weitere Entwicklung hängt nun von der Skalierung und der industriellen Umsetzung der biotechnologischen Prozesse ab.
Erweiterte Anwendungen der Fettsäuresynthase in Forschung und Chemie
In einem weiteren Projekt untersuchte das Team, wie universell sich die Fettsäuresynthase für maßgeschneiderte Biosynthesen einsetzen lässt. Felix Lehmann analysierte im Rahmen seiner Doktorarbeit, ob sich mit modifizierten Enzymen sogenannte Styrylpyrone herstellen lassen. Diese Moleküle sind Vorstufen von Substanzen aus der Kava-Pflanze, die aufgrund ihrer potenziell angstlösenden Wirkung medizinisches Interesse wecken.
„Zunächst haben wir den Teil der FAS weggeschnitten, den wir für die angestrebten Produkte nicht brauchen“, erläutert Lehmann. Anschließend wurde die Ketosynthase so verändert, dass Zimtsäure als Startmolekül genutzt werden kann. Darüber hinaus integrierte das Team ein weiteres Protein direkt in den Enzymkomplex, sodass es funktioneller Bestandteil des Multienzyms wurde.
Auch wenn diese Arbeiten nicht unmittelbar auf eine industrielle Anwendung abzielen, liefern sie grundlegende Erkenntnisse für das rationale Design komplexer Enzymsysteme. „Wir haben in diesem Projekt schließlich noch sehr systematisch betrachtet, wie wir die gesamte Biosynthese ausgehend von leicht verfügbaren Bausteinen realisieren können“, sagt Grininger. Im Rahmen des Exzellenzclusters SCALE sollen die gewonnenen Erkenntnisse künftig auch zur Erzeugung maßgeschneiderter Biomembranen genutzt werden, um grundlegende zelluläre Strukturen wie das endoplasmatische Retikulum oder die Mitochondrien besser zu verstehen.
Publikationen: Damian L. Ludig, Xiaoxin Zhai, Alexander Rittner, Christian Gusenda, Maximilian Heinz, Svenja Berlage, Ning Gao, Adrian J. Jervis, Yongjin J. Zhou & Martin Grininger. Engineering metazoan fatty acid synthase to control chain length applied in yeast. Nature Chemical Biology (2026) https://doi.org/10.1038/s41589-025-02105-w
Felix Lehmann, Nadja Joachim, Carolin Parthun, Martin Grininger. Design of a Multienzyme Derived from Mouse Fatty Acid Synthase for the Compartmentalized Production of 2-Pyrone Polyketides. Angewandte Chemie International Edition (2025). https://doi.org/10.1002/anie.202511726