Fachgruppe Biokatalyse

Porträtfoto Rebecca Buller
«Biokatalyse als komplementäre Methode zur klassischen Synthese hat grosses Zukunftspotential für die industrielle Herstellung von bioaktiven und komplexen Molekülen.»

Prof. Dr. Rebecca Buller, Fachstellenleiterin

In der Biokatalyse werden Enzyme (Biokatalysatoren) entweder isoliert oder in Ganzzellsystemen eingesetzt um neue Produkte herzustellen, vorhandene Synthesewege zu optimieren oder chemische Herstellungsverfahren zu ergänzen oder zu ersetzten. Mit Hilfe von Enzymen können chemische Reaktionen unter Verzicht auf umweltschädliche Chemikalien ressourcenschonender, selektiver und effizienter durchgeführt werden.

Moderne Technologien der molekularen Zell- und Systembiologie ermöglichen es, Gene aus den unterschiedlichsten natürlichen Quellen zu klonieren oder de-novo zu synthetisieren und die entsprechenden Proteine rekombinant in pro-und eukaryotischen Organismen zu exprimieren. Mittels der sogenannten gerichteten Evolution (engl.: directed evolution) kann man diese Enzyme wenn erforderlich gezielt für chemische Reaktionen optimieren: Nukleinsäuren werden rational oder zufallsbasiert mutiert und die kodierten Enzyme für bestimmte Anwendungen gezielt selektioniert. So kann man Biokatalysatoren mit neuen Eigenschaften z.B. mit verbesserter Enantioselektivität, mit neuer Substratspezifität sowie höherer Aktivität oder Stabilität unter harschen Reaktionsbedingungen generieren.

Enzymbibliotheken

Das Potential natürlicher Enzymvarianten für die industrielle Biotechnologie ist noch nicht vollständig erforscht. Mit Hilfe von Sequenzanalysen können Enzyme mit verwandten Eigenschaften aus unterschiedlichen Organismen identifiziert, die Gene subkloniert und exprimiert werden. Die so entwickelten Enzymbibliotheken werden bezüglich ihrer Eigenschaften (pH und Temperaturoptimum, Lösungsmittelstabilität) und ihr Substratspektrum untersucht   Eine interessante Enzymklasse ist die Gruppe der Enoat-Reduktasen. Diese Oxidoreduktasen katalysieren die asymmetrische Reduktion von Doppelbindungen und haben ein weitgefächertes Substratspektrum.

Enzymdesign

Die Nachfrage nach massgeschneiderten Enzymen oder Ganzzellkatalysatoren zur industriellen Anwendung im Bereich der Pharma-, Lebensmittel- oder Futterindustrie ist hoch. Viele industriell interessante chemische Reaktionen können mit natürlich vorkommenden Biokatalysatoren jedoch nicht durchgeführt werden, da das natürliche Substratspektrum oder das Stabilitätsprofil der Enzyme nicht den industriellen Anforderungen entspricht. Durch gezielte oder zufällige Mutagenese können Enzyme mit neuen katalytischen Eigenschaften sowie mit verbesserter Thermo- oder pH Stabilität, erhöhter Toleranz gegenüber von Lösungsmittel oder verbesserter Aktivität entwickelt werden.

Innovative Produkte

Die innovative Anwendung  von Enzymen kann zur Produktion neuartiger bioaktiver Substanzen mit antimikrobieller oder antikanzerogen Eigenschaften führen, die mit den augenblicklich zur Verfügung stehenden Verfahren nicht hergestellt werden können. Enzyme, welche in der Lage sind, Peptide posttranslational zu modifizieren, werden in unserer Fachgruppe z.B. auf ihre mögliche Anwendung zur Bildung von Peptid-Therapeutika untersucht.

Forschung

Die Fachgruppe Biokatalyse interessiert sich für die Entwicklung und Etablierung von enzymatischen Katalysatoren zur Herstellung von (kleinen) chiralen Molekülen und Feinchemikalien für die Chemie-, Pharma-, Lebensmittel- und Futtermittelindustrie. Die Optimierung von Produktionsprozessen (Biosynthese) auf Basis von aufgereinigten Enzymen oder Ganzzellsystemen ist ein weiterer Fokus unserer Forschung. In enger Zusammenarbeit mit Industrie und Forschungspartnern werden neue und bestehende biokatalytische Prozesse optimiert und implementiert.

Unsere Forschungsschwerpunkte sind:

  • Aufbau von Enzymbibliotheken
  • Erweiterung des Wirkungsspektrums von Enzymen durch gerichtete Evolution
  • Anwendung der Biokatalyse zur Wirkstoffsynthese und Produktion von bioaktiven Molekülen zur Anwendung in Pharma- und Lebensmittelindustrie
  • Aufbau von Plattformtechnologien in pro-und eukaryotischen Produktionssystemen
  • Verknüpfung biokatalytischer und chemischer Reaktionsschritte

Die Fachgruppe Biokatalyse arbeitet im Rahmen des Kompetenzzentrums Biokatalyse eng mit Forschungs- und Industriepartnern zusammen.

Kompetenzen

Die Fachgruppe Biokatalyse arbeitet an der Schnittstelle zwischen Chemie,  Bio- und Ingenieurswissenschaften. Sie befasst sich in Forschung und Lehre mit der Entwicklung und Optimierung enzymatischer Katalysatoren und biokatalytischer Prozesse für industrielle Anwendungen.

Unsere Kompetenzen sind:

  • Genomanalysen und Enzymidentifikation
  • Enzymdesign und gerichtete Evolution
  • Pro-und eukaryotische Expressionssysteme (E.coli, Hefe)
  • Kultivierung von natürlichen und gentechnologisch veränderten Mikroorganismen zur Produktion von Enzymen und als Ganzzellbiokatalysatoren
  • Aufreinigung und Charakterisierung von Proteinen und Enzymen
  • Entwicklung und Optimierung biokatalytischer Prozesse mittels statistischer Versuchsplanung (Design of Experiment)
  • Produktanalyse (GC, HPLC)

Mitglied in Netzwerken:

Publikationen:

Precision is essential for efficient catalysis in an evolved Kemp eliminase
Rebecca Blomberg, Hajo Kries, Daniel Pinkas, Per Mittl, Markus Grütter, Heidi Privett, Stephen Mayo, and Donald Hilvert
Nature 503, 418-421 (2013)

De novo enzymes by computational design
Hajo Kries*, Rebecca Blomberg*, and Donald Hilvert
Curr Opin Chem Biol. 17, 221-8 (2013) (* joint first authors)

Computational design of catalytic dyads and oxyanion holes for ester hydrolysis
Florian Richter*, Rebecca Blomberg*, Sagar D. Khare, Gert Kiss, Alexandre P. Kuzin, Adam J. T. Smith, Jasmine Gallaher, Zbigniew Pianowski, Roger C. Helgeson, Alexej Grjasnow, Rong Xiao, Jayaraman Seetharaman, Min Su, Sergey Vorobiev, Scott Lew, Farhad Forouhar, Gregory J. Kornhaber, John F. Hunt, Gaetano T. Montelione, Liang Tong, K. N. Houk, Donald Hilvert, and David Baker
J Am Chem Soc. 134, 16197-206 (2012) (* joint first authors)

Iterative approach to computational enzyme design
Heidi K. Privett, Gert Kiss, Toni M. Lee, Rebecca Blomberg, Roberto A. Chica, Leonard M. Thomas, Donald Hilvert, Kendall N. Houk, and Stephen L. Mayo
Proc Natl Acad Sci USA 109, 3790-5 (2012)

Design of a Highly Specific and Noninvasive Biosensor
Suitable for Real-Time in vivo Imaging of Mercury (II) Uptake
Richard Chapleau, Rebecca Blomberg, Peter Ford, and Martin Sagermann
Protein Science 17, 614-622 (2008)

Studium und Lehre

Die Fachgruppe Biokatalyse bietet zusammen mit dem neu gegründeten Kompetenzzentrum Biokatalyse (CCBIO) verschiedene Möglichkeiten für interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Forschergruppen und Industriepartnern.

Team Biokatalyse

Leitung

Mitarbeitende

Studierende

Ehemalige Mitarbeiter

News