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Fachgruppe Biosystemtechnologie

«Mich fasziniert, dass man in einer Zelle theoretisch unendliche verschiedene enzymatische Reaktionen kombinieren kann.»

Dr. Christin Peters
Leiterin Fachgruppe Biosystemtechnologie

Die Natur hat ein sehr effektives System an Kaskadenreaktionen entwickelt, um Stoffwechselwege und somit das Leben zu ermöglichen. Die lebende Zelle stellt grundsätzlich ein Ein-Gefäss-System dar und ermöglicht darin die verschiedensten Mehr-Stufenreaktionen mit Enzymen im wässrigen Medium. Der Vorteil der mehrstufigen Kaskadenreaktion wird vor allem im Zellmetabolismus deutlich: Obwohl keine Abtrennung und Aufarbeitung der verschiedenen Intermediate stattfindet, kommt es zu einer selektiven Produktbildung. Bei der Übertragung des Konzepts auf organische Synthesen kommt es gegenüber dem normalen Stufe-für-Stufe-Prozess zu Einsparungen an Zeit, Kosten und Abfall durch den Wegfall der Reinigungen der Zwischenprodukte. Oft können durch Kaskadenreaktionen die Gesamtausbeute und die Atombilanz verbessert werden. Der größte Vorteil zeigt sich bei toxischen oder instabilen Intermediaten, die durch die Kaskade direkt zu stabilen und nicht-toxischen Substanzen weiter umgesetzt werden können.

Über uns

Eine wichtige Thematik unserer Fachgruppe ist der Nutzung von Biokatalyse zur Herstellung verschiedenster chemischer Substanzen. Der Einsatz von Enzymen im Vergleich zur klassischen chemischen Synthese erlaubt es, Prozesse umweltfreundlicher zu gestalten, da mildere Bedingungen und mit geringerer Abfallproduktion anfallen. Zudem können erneuerbare Rohstoffe als Ausgangsstoffe etabliert werden. Dies ist eine grüne und zukunftsweisende Alternative zur klassischen chemischen Synthese.

Im Zuge dieses Unterfangens führen wir unter anderem Fermentationen und Reinigung von Proteinen durch, welche in biokatalytischen Reaktionen eingesetzt werden können. Zudem setzen wir unseren Fokus auf die Etablierung und Optimierung neuer Enzymkaskaden um Alternativen für bisherige chemische Synthesewege zu finden.

Kompetenzen

Die Biosystemtechnologie Gruppe vereint verschiedene Expertisen, die es ermöglichen, alle notwendigen Prozessschritte in der Herstellung von Enzymkaskaden zu realisieren.

  • Entwicklung, Herstellung und Optimierung von Produktionsstämmen und Expressionsvektoren mittel Knock out von Genen oder Modularen Klonieren
  • Fermentation im 3L - 10L, und 30L-Massstab
  • Prozessoptimierung im Labormaßstab sowie das Scale-up
  • Proteinreinigung
  • Etablierung von Expressionsvektoren für Enzymkaskaden mittels modernster genetischer Techniken
  • Biokatalyse in unterschiedlichen Massstäben
  • GC/LC/MS-basierte und photometrische Analytik, auch zur Etablierung und Durchführung von Screening, einschließlich der Datenanalyse

Forschung

Konzipierung, Etablierung und Optimierung Biokatalysen von Enzymkaskaden

Aufgrund unseres Know-Hows bezüglich biokatalytischen Systemen und den diversen genetischen Strategien, welche unsere Fachgruppe Anwendung finden, sind wir Experten bei der Wahl einer passenden Biokatalyse-Strategie (Ganzzell, Surface Display, gereinigte Enzyme, Immobilization), der Etablierung geeigneter Reaktionsbedingungen für Biokatalyse und weiteren Fragestellungen rund um die Biokatalyse. Dies schliesst auch die Optimierung biokatalytischer Ansätze mit ein.

Engineering von Mikrobenstämmen

Das Engineering von Mikrobenstämmen kann für eine effiziente Ganzzell-Enzymkaskade entscheidend sein. Wir verfügen über das genetische Knowhow zur genomischen Modifikationen, sowie auch den analytischen Methoden um neue Stämme hinsichtlich ihrer Physiologie und etwaige Konsequenzen für darauffolgende Prozesse  zu charakterisieren.

Optimierung Proteinreinigung

Wir sind Experten in der Überexpression und Reinigung verschiedener Proteintypen, beispielsweise Enzyme oder Strukturproteine. Wir verwenden modernste Techniken und Strategien, welche spezifisch auf das jeweilige Protein abgestimmt sind.

Optimierung und scale-up Fermentationsprozess

Wir sind mit 3-, 5-, 10- und 30-Liter-Reaktoren für die Fermentation verschiedener Mikroorganismen ausgestattet. Damit sind die Optimierungen von Fermentationsprozessen in verschiedenen Grössen möglich. Die Biomasse wird entweder direkt in der Ganzzell-Biokatalyse oder für Protein-Überexpression mit anschließender Reinigung eingesetzt.

Kooperationen und Projekte

  • Etablierung einer Enzymkaskade zur Herstellung von 2,6-Dimethyl-5-heptenal
  • Design von ADH-defizienten Stämmen für die Ganzzell-Biokatalyse
  • Plasmid-Toolbox für Enzymkaskaden
  • Exploration der Gen-Harmonisierung
  •  FUNGAS Enzyme von anaeroben Pilzen erhöhen die Gasausbeute von Reststoffen und ermöglichen die Biogasproduktion in Kleinanlagen in der INTERREGRegion.

Mitarbeitende