Enzym-Technologie – Die Natur hat vorgelegt. Jetzt sind wir dran.
Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Industrie werden Enzyme eine Schlüsselrolle spielen. Es ist unsere Aufgabe, die Ergebnisse der Evolution als Ausgangspunkt zu nutzen und sie für industrielle Zwecke nutzbar zu machen.
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Dr. Simon Godehard
ist unser Experte auf dem Gebiet der Enzymtechnologie
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Mikroorganismen bevölkern unseren Planeten seit fast vier Milliarden Jahren und die Evolution birgt erstaunliche Möglichkeiten. Ein Teil dieser Vielfalt und des "Werkzeugkastens" der Natur ist die faszinierende Welt der Enzyme.
Enzyme sind in der Lage, diverse Moleküle aufzubauen, abzubauen und zu verändern, sodass wir fast jedes Molekül herstellen können, das wir benötigen. Einen Zugang zum Werkzeugkasten der Natur zu erhalten und Enzymen für industrielle Anwendungen zu entwickeln sind multidisziplinäre Aufgaben. Sie erfordern die Kombination von Spitzenleistungen beim Entdecken neuer Enzyme, bei der mikrobiellen Produktion, beim Protein-Engineering und bei der Formulierung für eine langfristige Lagerung.
Informieren Sie sich über unser neuestes Angebot für Kunden, die ihr eigenes einzigartiges Enzym finden möchten: Unsere Technologieplattform MetXtra™ ist eine spannende Möglichkeit, solche einzigartigen Enzyme zu finden und der Konkurrenz einen Schritt voraus zu sein.
Arbeiten Sie mit uns zusammen und profitieren Sie von unserem Technologieportfolio
Wir verfügen über ein Technologieportfolio für die gezielte Entwicklung von Proteinen und Enzymen für verschiedene Branchen. Wir bieten unseren Kooperationspartnern aus der Industrie dieses Technologieportfolio in Form eines flexiblen, modularen Systems an. Kunden, die mit BRAIN Biotech zusammenarbeiten, können aus unserem Technologieportfolio wählen und wir entwickeln gemeinsam in einer produktiven Partnerschaft Proteine und Enzyme.
„Eine unserer größten Stärken ist unser Team, das sich aus Fachleuten verschiedener wissenschaftlicher Bereiche zusammensetzt und eng und kreativ zusammenarbeitet. Das macht es möglich, regelmäßig neue Wege zur Lösung wissenschaftlicher Herausforderungen zu finden.“
Worin wir wirklich gut sind:
Entdecken neuer Enzyme
Leistungsstarke Ressourcen:
Das BRAIN Bioarchiv ist eine umfangreiche Screening-Grundlage. Es enthält über 53.000 Stämme, 54 Metagenom-Bibliotheken, 450 Habitat-Sammlungen und mehr. Diese biologischen Materialien werden physisch aufbewahrt, um lange Zeit Zugriff darauf zu haben.
Darüber hinaus können neuartige Enzyme im digitalen BRAIN SeqPool identifiziert werden. Der BRAIN SeqPool ist eine schnell wachsende Sammlung digitaler Genetik-Informationen, die auf unseren Servern verarbeitet und für das Screening bereitgehalten werden. Unsere Mikrobiologieexpertinnen und -experten wählen vielversprechende Habitate für die Sequenzierung metagenomischer DNA aus. Die Genetik-Information stammt aus mehr als 35 verschiedenen Metagenomen und genomischer DNA von spezifischen Mikroorganismen. Beide Ressourcen sind Nagoya-konform.
Rationale Bioprospektion:
Zu wissen, wo man suchen muss, ist ein großer Vorteil. Die gezielte Auswahl von Lebensräumen oder gar von substratkonditionierten mikrobiellen Habitaten (angereicherte Kulturen) erhöht die Wahrscheinlichkeit erheblich, auf eine biologische Vielfalt zu stoßen, die die gewünschte Enzymaktivität enthält. Wir beproben gezielt Habitate, in denen eine Enzymaktivität zu erwarten ist, darunter auch vielversprechendes biologisches Material, das von einem Kooperationspartner bereitgestellt wird.
Sequenzbasierte Enzym-Identifizierung:
Unsere Bioinformatik-Pipeline identifiziert neue Enzyme auf der Grundlage der Homologie zu einer bestimmten Referenzsequenz oder kann spezifische Sequenzen auswählen, die einen maximalen Sequenzraum abdecken und gleichzeitig den Screening-Aufwand begrenzen. Zur Identifizierung homologer Nachbarn durchsucht die Pipeline gleichzeitig unsere eigene Datenbank (BRAIN SeqPool) sowie öffentliche Sequenzdatenbanken. Unsere Expertinnen und Experten wählen Enzymkandidaten anhand von Sequenz-Funktions-Beziehungen rational aus und verfeinern diese Auswahl durch strukturbasierte Methoden wie Homologiemodellierung und Docking. Das Enzymkandidaten-Set wird in vivo in einem oder in mehreren unserer rekombinanten Expressionsstämme produziert. Ein Multiparameter-Screening unter prozessrelevanten Bedingungen wird durchgeführt, um die für die Zielanwendung geeigneten Enzymkandidaten zu identifizieren.
Funktionsbasierte Enzym-Identifizierung:
Zur Identifizierung von Enzymen, die wie kein bekanntes Modellenzym funktionieren, screenen wir innerhalb unserer bereits klonierten metagenomischen Genexpressionsbibliotheken Activity-Based Expression Libraries (ABEL®) und Large Insert Libraries (LIL®). ABEL®-Bibliotheken exprimieren einzelne Gene, während LIL®-Bibliotheken große Gene oder kleine Operons enthalten. Die einzige Voraussetzung ist ein Aktivitäts-Assay, der die gewünschte Enzymaktivität in einem Hochdurchsatzformat anzeigt. Für die Entdeckung von Wildtyp-Enzymproduzenten (keine GVO) wählen wir Stämme aus unserem BRAIN BioArchiv aus und screenen mit spezifischen Aktivitäts-Assays nach der gewünschten Aktivität.
Unsere USPs bei der Entdeckung von Enzymen:
Das BRAIN Bioarchiv: Eine unternehmenseigene Sammlung von Stämmen und genetischen Informationen, die es ermöglicht Enzyme zu identifizieren, die chemische Prozesse katalysieren wie kein bereits bekanntes Enzym.
Der BRAIN SeqPool: Eine firmeneigene, digitale, metagenomische Datenbank, die für die schnelle und einfache in-silico-Entdeckung bisher unentdeckter Enzyme bereitsteht.
Erhöhte Erfolgsquote: Maßgeschneiderte DNA-Bibliotheken können aus rational ausgewählter oder angereicherter Biodiversität erstellt werden – je nach Anforderung der Kunden.
Screening-Assay gesucht?
Wenn noch kein Assay oder keine Methode beschrieben wurde, mit der ein Enzym entdeckt werden kann, nehmen unsere Expertinnen und Experten die Herausforderung an. Wir kombinieren kreativ unser Fachwissen in Mikrobiologie, Molekularbiologie und Biochemie, um von Grund auf neue Assays zu entwickeln und zu etablieren, mit denen wir Enzyme entdecken können.
Durch das jahrelange Arbeiten mit einer Vielzahl von aus Metagnomen abgeleiteten Genen hat sich viel Wissen zum Umgang unterschiedlicher Expressionsstämme für verschiedene Proteinfamilien angesammelt. Für die Produktion von Enzymen und Proteinen greifen wir auf prokaryotische Wirtsorganismen (u.a. Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas stutzeri, Streptomyces lividans und Corynebacterium glutamicum) sowie eukaryotische Wirtsorganismen (u.a. Pichia pastoris, Kluyveromyces lactis und Aspergillus niger) zurück.
Konstruktion von Produktionsstämmen:
Unsere Mikro- und Molekularbiolog:innen sind sehr erfahren in der Konstruktion von geeigneten mikrobiellen Expressionssystemen.
Für die Expression eines interessierenden Gens kann das Gen mit Hilfe der von BRAIN entwickelten Cas-Nuklease BEC oder klassischen Methoden unter Verwendung verschiedener Auxotrophie- sowie Antibiotikaresistenz-Marker in einen Expressionswirt eingebracht werden.
In kurzer Zeit werden Basisstämme erzeugt, um die
Produktionsleistung und damit die Eignung eines Expressionssystems zu
testen. Anschließend wird die Produktionsausbeute durch gezielte
und/oder zufällige Stammentwicklung maximiert. Direkte Methoden zielen
auf Aspekte wie Translationsinitiation, Gen-Design, Signalpeptide,
Promotoren, Gen-Kopienzahl sowie auf die Verbesserung des Wirts, z.B. die Einführung von Protease-Knockouts.
Bei der zufälligen Stammentwicklung werden bereits entwickelte Stämme
mit physikalischen oder chemischen Mutagenen behandelt, um Mutationen
zu akkumulieren, die zu optimierten Produktionsstämmen führen.
Vom Labor zum Produktionsmaßstab:
Das Screening und die Entwicklung von Stämmen werden in 96-Well-Platten und Schüttelkolben durchgeführt. Es stehen verschiedene Medien mit unterschiedlichen Fütterungs- und Induktionsstrategien für Expressionsstudien zur Verfügung. Die Entwicklungskandidaten werden im 1 L oder 2 L-Fermentermaßstab evaluiert, um die Proteinproduktion unter relevanten Kulturbedingungen zu quantifizieren. Starke proteinproduzierende Stämme werden zur Entwicklung von Produktionsverfahren an unsere Kollegen aus der Abteilung für Bioprozesstechnik weitergegeben.
Optimierung von Wildtyp-Produzenten:
Neben der heterologen Protein- und Enzymproduktion optimieren unsere
Experten auch Wildtyp-Produzenten durch „Evolution im Labor” und
screenen die erzeugte Vielfalt anschließend im Hochdurchsatzverfahren,
um verbesserte Produzenten zu identifizieren.
Unsere USPs in der Enzym- und Proteinproduktion:
Prüfung der Stammeignung: Die Expression in einer Vielzahl von Expressionsstämmen ermöglicht es, in kurzer Zeit den besten Ausgangsstamm für ein definiertes Protein zu identifizieren.
Maßgeschneiderte Lösungen: Speziell und individuell angepasste Expressionsstämme können in Abhängigkeit von den spezifischen Anforderungen des gewünschten Proteins generiert werden.
Fokus auf die Produktion: Expert:innen aus verschiedenen Fachbereichen, die mit den verschiedenen Phasen des Produktionsprozesses befasst sind, befinden sich an einem Standort und arbeiten eng zusammen.
Expressionssystem gesucht?
Sollte bislang noch kein geeignetes Expressionssystem für Ihr Protein gefunden worden sein, nehmen unsere Expert:innen die Herausforderung gerne an. Wir bieten schnelle Screenings mit standardisierten Methoden parallel in mehreren Expressionsstämmen an, um Ausgangswerte für die Auswahl von Stämmen für die weitere Stammentwicklung zu liefern.
Unsere Expert:innen konzentrieren sich auf rationales Design, um die Screening-Zeit zu verkürzen, die Konstruktion inaktiver Mutanten zu minimieren und somit zeitsparend eine hohe Trefferquote zu erreichen. Mit starker Unterstützung durch die Bioinformatik nutzen wir Sequenz-Funktions-Beziehungen (z.B. Aminosäurekonservierung, Analyse der mikrobiellen Diversität) und Struktur-Funktions-Beziehungen (z.B. Strukturmodellierung, Substrat-Docking, Molekulardynamiksimulationen) zur Identifizierung von Hotspots und zum gezielten Proteindesign.
Für die gerichtete Evolution können verschiedene PCR- und zufällige Gen-Mutagenesemethoden zusammen mit Ultra-Hochdurchsatz-Screening-Methoden eingesetzt werden. Je nach wissenschaftlicher Herausforderung wählen unsere Expert:innen eine der beiden Engineering-Strategien aus oder kombinieren sie, um eine erfolgreiche, schnelle und kosteneffiziente Lösung zu finden.
Bibliotheksaufbau und Expression:
Unsere Molekularbiolog:innen beherrschen alle erforderlichen Werkzeuge für die Konstruktion und Klonierung von Genen sowie verschiedene PCR-Methoden für die Mutagenese. Darüber hinaus nutzen wir unsere eigens entwickelte Nuklease-basierte Methode REDUCE®, die es uns ermöglicht, Protein-Engineering-Experimente direkt in nahezu jedem Produktionswirt durchzuführen. Das beschleunigt die Enzymentwicklung und reduziert das Risiko von Fehlschlägen.
Die Qualität der Bibliotheken und die Verteilung der Mutationen können mit Hilfe der hauseigenen NGS-Möglichkeiten überwacht werden. Für die Genexpression und das Screening bieten unsere Spezialistinnen und Spezialisten für mikrobielle Expression verschiedene prokaryotische und eukaryotische Expressionsstämme an.
Screening von Enzymvarianten:
Bei kleinen und mittelgroßen Bibliotheken nutzen wir direkt Multiparameter-Screenings, bei denen mehrere anwendungsrelevante Enzymeigenschaften gleichzeitig analysiert werden. Für das Screening großer Mutanten-Bibliotheken verwenden wir Agarplatten-Indikator-Assays, -Selektionsassays oder FACS-basierte Screenings. Eine große Anzahl von Enzymassays ist bereits etabliert und verfügbar. Wollen Kooperationspartner eigene Aktivitätstests für das Screening verwenden, können wir diese Tests schnell etablieren und/oder für den Einsatz bei BRAIN Biotech anpassen.
Detaillierte Enzymcharakterisierung:
Zur Bestimmung biophysikalischer Eigenschaften und kinetischer Parameter verwenden wir enzymgekoppelte Assaysysteme oder fluoreszenzmarkierte und chromogene Substrate sowie eine ausgefeilte hauseigene Analytik. Die Experten unserer Analytikabteilung bieten verschiedene HPLC- und GC-basierte Methoden (MS, DAD, FD, RID, ELSD) sowie NMR für eine eingehende Charakterisierung.
Unsere USPs im Protein engineering:
Komplette Protein-Engineering-Projekte: Wir übernehmen das gesamte Paket – vom Proteindesign bis zur eingehenden Charakterisierung von Enzym-Varianten.
Keine Beschränkung auf eine Methode: Wir kombinieren verschiedene zielführende Methoden und verwenden einen lösungsorientierten Engineering-Ansatz, das Anwendungsziel immer fest im Blick.
Große Herausforderungen sind uns willkommen: Wir arbeiten an Standard-Enzymoptimierungsprojekten, haben uns aber auch auf „schwierige Enzyme” spezialisiert, z.B. Transporter und Enzymkaskaden, die mehr als nur einen Standard-Assay benötigen.
Assay für Enzymcharakterisierung gesucht?
Wurde bislang noch kein Assay bzw. keine Methode beschrieben, die eine Identifizierung oder Charakterisierung der Zielenzyme ermöglicht, nehmen unsere Expert:innen die Herausforderung an. Wir kombinieren auf kreative Art und Weise unser Fachwissen in den Bereichen Mikrobiologie, Molekularbiologie und Biochemie, um von Grund auf neue Assays zur Charakterisierung und Optimierung von Enzymen zu entwerfen und zu etablieren.
