Hyka-synBio

 

Hyka-synBio (BMBF Forschungspreis 2016)

Übersicht zu Hyka-synBio, dem Flaggschiff-Projekt der NGBC-Gruppe Biotec

Traditionelle chemische Prozesse dominieren immer noch die industrielle Landschaft im Bereich Herstellung kohlenstoffbasierter Chemikalien. Biotechnologische Prozesse machen dagegen weniger als 20% der globalen Produktion von Spezial- und Basischemikalien und weniger als 15% der Polymerproduktion aus, welche bei weitem den größten Markt der chemischen Industrie darstellt. Biokatalytische Prozesse sind zukunftsweisende Technologien, die als nachhaltiger und umweltfreundlicher als vergleichbare chemische Synthesewege gelten. Darüber hinaus weisen Biokatalysatoren außerordentliche natürliche oder mittels Engineering aufgeprägte Selektivitäten auf, die von chemischen Katalysatoren teilweise unerreicht sind. Dadurch werden stereoselektive Transformationen und die Herstellung enantiomerenreiner Produkte ermöglicht, die mittels traditioneller Chemie nur sehr schwer oder unerreichbar sind. In manchen Fällen könnten solche biokatalytischen Verfahren den Energiebedarf und ein Anfallen ungewollter, toxischer Nebenreaktionsprodukte drastisch senken. Allerdings müssen auf dem Weg hin zur Ablösung traditioneller chemischer Syntheserouten durch biotechnologische Prozesse noch gewisse Hürden überwunden werden.

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    Ein Aspekt ist die ökonomische Realisierbarkeit, die oft ein kritisches Thema ist, wenn Fortschritte in der „weißen“ Biotechnologie mit etablierten und höchst effektiven, jedoch von fossilen Treibstoffen abhängigen chemischen Prozessen konkurrieren. Um ihre Effektivität durch höhere Raum-Zeit-Ausbeuten und ein besseres Downstream Processing zu steigern, könnten Biotransformationen von organisch-chemischen Methoden profitieren, wenn sie sich deren Flexibilität zu Eigen machten. Beispielsweise zeichnen sich chemische Syntheserouten typischerweise durch ihre immense Flexibilität hinsichtlich einstellbarer physikalischer Parameter und Lösemittel aus. Das Leben auf der Erde hat sich allerdings in wässriger Umgebung entwickelt, was Wasser zur entscheidenden Voraussetzung für jeden biologischen Prozess macht. Das hat zur Folge, das Biokonversionen durch lebende Zellen oder isolierte Enzyme in unkonventionellen Reaktionsmedien wie zum Beispiel wässrigen Systemen gemischt mit organischen Lösungsmitteln oder vollständig wasserfreie Systeme immer noch selten sind. Hydrophobe Lösemittelmoleküle etwa können oftmals in biologische Membranen eindringen und diese zerstören, was letztendlich zur Zelllyse führt. Freie Enzyme hingegen benötigen eine wässrige Umgebung zur Erhaltung ihrer dreidimensionalen Struktur. Organische Lösungsmittel richten oft strukturellen Schaden an und führen zu Aktivitätsverlusten, die in manchen Fällen durch Enzymstabilisations- und ‑immobilisierungstechniken reduziert, jedoch in der Regel nicht vollständig vermieden werden können.

    In Hyka-synBio widmen wir uns der Kombination von Vorteilen sowohl der organischen Chemie als auch der Biokatalyse, um biokatalytische Systeme zu entwickeln, die stereoselektive Syntheserouten mit hohen Ausbeuten und unter milden Reaktionsbedingungen in unkonventionellen Medien ermöglichen sollen. Wir entwickeln synthetische Biofilme, die lebende Zellen umschließen. Dies soll durch biohybride Matrices bestehend aus wasser-gequollenen Nanogelen bewerkstelligt werden, die mittels sogenannter Ankerpeptide an Zelloberflächen befestigt werden. Die synthetischen Biofilme sollen die Zellen vor toxischen Effekten durch organische Lösemittelmoleküle schützen und gleichzeitig einen ausreichenden Transport hydrophober Komponenten durch den Film hin zum katalytischen Kompartiment gewährleisten. Zwei Arten von biokatalytischen Systemen für stereoselektive Transformationen kommen hierbei zur Anwendung.

    Das erste System nutzt Varianten der Cytochrom P450 Monooxygenase BM3, welche in der Schwaneberg Gruppe generiert wurden. Diese Enzyme werden im Cytosol von Nanogel-dekorierten Mikroorganismen produziert, wo die regioselektive Hydroxylierung hydrophober Komponenten, die über das extrazelluläre Medium bereitgestellt werden, stattfindet. Die so erhaltenen Stoffe sind wichtige Bausteine für die pharmazeutische Industrie, deren Synthese eine Regioselektivität voraussetzt, wie sie mit synthetisch-chemischen Methoden nahezu unmöglich zu erreichen ist.Das zweite System wird Biohybridkatalysatoren für stereoselektive Synthesereaktionen zur Anwendung bringen. Die hierbei generierten Chemikalien sind vielfältig und können einer der vier oben genannten chemischen Zweigen angehören, nämlich Fein-, Spezial- und Basischemikalien, sowie Polymere. Wir entwerfen Biohybridkatalysatoren und evolvieren diese mittels Hochdurchsatz-Durchmusterung als Vorselektionsoption.

    Hyka-synBio stützt sich auf die Expertise von Professor Andrij Pich vom DWI Leibniz Instituts für Interaktive Materialien, der auf jahrelange Erfahrung im Feld des Biohybrid-Nano- und Mikrogeldesigns zurückblicken kann und Professor Jun Okuda vom Lehrstuhl für Metallorganische Chemie der RWTH Aachen, der ein Experte auf dem Gebiet der organometallischen und Biohybridkatalyse ist. Die Schwaneberg Gruppe unterhält sehr lange und erfolgreiche Kollaborationen mit beiden Gruppen. Hyka-synBio ist Teil der BMBF Initiative Biotechnologie 2020+, im Zuge derer Professor Schwaneberg mit dem BMBF Forschungspreis „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren“ ausgezeichnet wurde. Insgesamt sind drei Doktorandinnen und Doktoranden, ein chemischer Post-Doc und der Juniorgruppenleiter Dr. Johannes Schiffels direkt in das Projekt involviert, das für vier Jahre vollumfänglich finanziert ist.

    In Hyka-synBio arbeiten wir zusammen mit…

    • Prof. Dr. Andrij Pich – DWI-Leibniz Institut für Interaktive Materialien; Abteilung Funktionale und Interaktive Polymere
    • Prof. Dr. Jun Okuda – RWTH Aachen; Institut für Anorganische Chemie; Lehrstuhl für Metallorganische Chemie
    • Abteilung Hybridkatalyse & HTS – geleitet von Prof. Dr. Ulrich Schwaneberg
    • Abteilung Biohybridsysteme – geleitet von Dr. Felix Jakob
    • Abteilung Molekulare Bioökonomie – geleitet von Dr. Anna Joëlle Ruff
    • Abteilung Computation Biology – geleitet von Dr. Mehdi Davari