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BLICKWINKEL

Enzyme Formen 2

Biodiversität bezeichnet die Vielfalt des Lebens in Form aller bekannten und unbekannten Organismen auf unserem Planeten. Die BRAIN verfügt über ein hauseigenes Bioarchiv mit rund 53.000 charakterisierten Mikroorganismen. Das ist großartig für die hauseigene Forschung, aber klitzeklein im Vergleich zu dem, was die Natur zu bieten hat.

Bis heute ist erst ein Bruchteil der globalen Artenvielfalt bekannt, geschweige denn wissenschaftlich erschlossen. Bedenkt man zudem, dass derzeit weniger als ein Prozent aller bekannten Organismen im Labor kultivierbar ist, wird umso deutlicher, welches gigantische und noch unerschlossene Potenzial in der Biosphäre ruht.

Ziel und Kunst der Nutzbarmachung natürlicher Ressourcen in den BRAIN-Laboren bestehen darin, immer wieder neue aktive Biomoleküle zu entdecken und zu optimieren, um sie für naturbasierte Anwendungen bereitzustellen. Doch Biodiversität steckt nicht nur in Bodenproben, von denen Forscher der BRAIN immer wieder neue ziehen. Aus dem vollen Artenreichtum schöpfen funktioniert längst auch ganz anders – und zwar in silico, will heißen computerbasiert digital.

In diesem Feld hat BRAIN in den letzten Jahren exzellentes Know-how entwickelt. Ein Spezialist ist Dr. Alexander Pelzer, Research Scientist & Project Manager bei der BRAIN AG. Seit seinem Einstieg bei BRAIN im Jahre 2014 ist er auf der Suche nach neuen Enzymen. Das sind Proteine, die unter dem populären Sammelbegriff „Biokatalysatoren“ (bio-)chemische Reaktionen schneller ablaufen lassen, also katalysieren, und für verschiedenste BRAIN-Projekte interessant sein können. Solche Enzyme bestehen aus 20 verschiedenen, wie auf einer Perlenkette in definierter Abfolge aneinandergereihten Aminosäuren. Diese interagieren miteinander, sodass gefaltete dreidimensionale Strukturen entstehen.

Diesen Markt möchten wir mit neuartigen, wirkungs- vollen Enzymen ausstatten. Wir fokussieren daher auf die Entwicklung neuer und damit patentierbarer Enzyme auf Grundlage unseres BioArchivs. Immer wichtiger wird parallel die Entdeckerarbeit in silico basierend auf Metagenomdaten. Die in Datenbanken sorgfältig dokumentierten Erbinformationen bieten effiziente Möglichkeiten, Spezialenzyme für den Enzymmarkt zu finden.

Dr. Alexander Pelzer

Identifizierung neuer Enzym-Kandidaten

In einem Modellversuch zur In-silico-Entdeckung neuer Enzyme, die komplexe Substrate zu kleinen Bruchstücken degradieren, nahm Pelzer die Aminosäuresequenz drei bekannter Vertreter der Klasse als Ausgangspunkt. Er verglich diese mit mehr als 29.000 homologen, sprich ähnlichen Sequenzen aus Metagenomdatenbanken. Eine Reihe von Untersuchungen diente dazu, alle Moleküle aufgrund ihrer Sequenzähnlichkeit miteinander zu vergleichen. Zum Einsatz kamen auch computerbasierte CLANS-Analysen, mit deren Hilfe die Platzierungen der Aminosäuresequenzen miteinander verglichen und räumlich dargestellt werden.

Als weiteres Auswahlkriterium kamen in diesem Arbeitsschritt Betrachtungen hinzu, die auf der mehr als zwanzigjährigen BRAIN-Erfahrung mit dem hauseigenen BioArchiv und dem Forschungsthema Biodiversität beruhen. Bei dieser Evaluierung geht es im Grunde um den Abgleich mit der Natur: Die Eigenschaften jener Organismen, aus denen die Enzymkandidaten stammen, werden detailliert betrachtet und im Team diskutiert. Fragen wie „Aus welchem Organismus stammt das Enzym?“ oder „In welchem Temperaturbereich ist der Organismus lebensfähig?“ geben wertvolle Hinweise darauf, ob das entdeckte Enzym auch in der von BRAIN anvisierten neuen Anwendungsumgebung funktionieren könnte.

Im konkreten Modellversuch zur In-silico-Entdeckung neuer Enzyme blieb am Ende dieser Untersuchungskette nur noch eine Auswahl von rund 20 höchst interessanten Enzymen übrig, die hinsichtlich Qualität und Aktivität für spezielle Märkte besonders gut geeignet erschienen.

Enzymoptimierung per Protein Engineering

Ab dieser Entwicklungsstufe kommen Pelzers Kolleginnen und Kollegen der in den BRAIN-Labors praktizierten Molekularbiologie ins Spiel. Dr. Klaus Liebeton, Research Scientist & Platform Coordinator Microbial Expression bei der BRAIN AG, arbeitet im engen Schulterschluss mit Pelzer. Hat dieser potenziell vielversprechende Enzymkandidaten in Metagenomdatenbanken identifiziert, lautet Liebetons Aufgabe, im Repertoire der BRAIN einen passenden Expressionsstamm zu finden, zum Beispiel ein Bakterium, ein Pilz oder eine Hefe. Dieser Stamm muss in der Lage sein, die zugrunde liegende DNA des gewünschten Biokatalysators aufzunehmen und zuverlässig in ein Enzym zu übersetzen.

Hierfür wird zunächst das für den Biokatalysator codierte Gen mit standardisierten Verfahren zusammengestellt, sprich synthetisiert. Im Anschluss wird diese DNA in verschiedene Expressionsstämme geschleust, um zu testen, ob die gewünschte Enzymproduktion einsetzt.

Dr. Klaus Liebeton

Auch hier liegen Kunst und Können bei der richtigen Vorauswahl der Gensequenz für den Biokatalysator aus Abermillionen Möglichkeiten. Liebeton widmet sich seit Jahren der Aufgabe, die Zusammenhänge zwischen DNA-Sequenz und Ausbeute des zugehörigen Proteins zu verstehen.

Doch damit noch lange nicht genug. Ist überprüft, in welcher Quantität der Expressionsstamm das neue Enzym herstellt, und sind außerdem die Enzymeigenschaften charakterisiert, geht es vor und zurück zwischen Molekularbiologielabor und Protein Engineering. Beim Protein Engineering wird an der für das Zielprotein codierenden DNA Forscherhand angelegt: Das Erbmaterial wird an exakt den Stellen modifiziert, wo Veränderungsbedarf ausgemacht wurde. Bei der Übersetzung von der DNA zum Enzym überträgt sich diese Änderung auf die Aminosäuresequenz des Enzyms, sodass sich Enzymeigenschaften gezielt ändern und gewünschte Eigenschaften verstärken lassen.

Die Natur hat Enzyme nicht für die Verwendung in der industriellen Biotechnologie entwickelt. Das Protein Engineering ermöglicht es aber, vielversprechende Enzymkandidaten aus der Biodiversität als Startpunkt zu verwenden und sie zu verbessern, damit sie für die Bedingungen verschiedenster industrieller Prozesse maßgeschneidert sind. Ist man also auf der Suche nach einem Enzym, das eine besondere Eigenschaft besitzt, beispielsweise eine höhere Hitzebeständigkeit oder Aktivität bei einem geringeren pH-Wert, dann kann man anhand von 3D-Modellen bewerten, welche Änderungen in der Aminosäuresequenz zu einer Verbesserung der Enzymeigenschaften führen könnten.

Am Computer werden zu diesem Zweck die Enzymmodelle und speziell die Regionen, die eine bestimmte Enzymeigenschaft definieren, zunächst analysiert und dann bei Bedarf modifiziert. Moderne Modellierungstechnologien helfen dabei, die Proteine schrittweise in Richtung maximaler Wirkung maßzuschneidern. Anhaltspunkte bei diesem digitalen Abgleich liefern beispielsweise die Faltungen der Enzyme. Eine Software zeigt Pelzer und seinem Team am Computerbildschirm dreidimensionale vollfarbige Darstellungen der vorselektierten Enzyme (siehe obere Abbildung). Es bedarf sehr viel Hintergrundwissen und Erfahrung, um die Bilder richtig deuten zu können. Nach jedem Optimierungsschritt am Computer folgen erneute DNA- Modifikation und Überprüfung der Enzymeigenschaften im Labor.

Es geht in diesem Prozess um die kontinuierliche Verbesserung der gewünschten Eigenschaften – so lange, bis wir das im Labormaßstab gewünschte Ziel erreicht und ein neues Enzym geschaffen haben, das für eine zuvor definierte Anwen- dung infrage kommen kann. Für die Enzymentwicklung haben wir bei BRAIN die besten verfügbaren Methoden implementiert. Entscheidend ist unter anderem unser einzigartiger Arbeitsfluss, um schnell und zuverlässig zum Erfolg zu kommen. Angesichts unserer Er- folge auf dem Gebiet der Enzymentwicklung sind wir sehr zufrieden mit unserer bisherigen Arbeit.

Dr. Alexander Pelzer

Auf Grundlage der Biodiversität in silico und mithilfe digitaler Sequenz­abgleiche sowie des Protein Engineering hat BRAIN den zur Verfügung stehenden Werkzeugkasten der Natur beträchtlich erweitert.

Enzymentwicklung in der BRAIN-Gruppe

Im November 2014 wurde als strategische Partnerschaft die im nordrhein-westfälischen Ascheberg angesiedelte WeissBioTech GmbH in die BRAIN- Gruppe integriert – ein seit 2002 bestehendes und etabliertes Unternehmen im stark wachsenden Geschäftssegment „Enzyme für Lebensmittel“. Die Kompetenzen bei BRAIN wurden so mit dem globalen Produktions- und Distributionsnetzwerk von WeissBioTech kombiniert und damit neues Entwicklungs- und Wachstumspotenzial erschlossen. WeissBioTech kennt die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten verschiedenster Enzyme und verfügt mit mehr als 30 Vertriebspartnern weltweit über ausgezeichnete Marktzugänge.

Über WeissBioTech vermarktet die BRAIN-Gruppe aktuell rund 100 verschiedene Enzyme-Produkte. Gemeinsam entwickeln die Partnerunternehmen derzeit eine neue naturbasierte Laktase-Formulierung für die Milchindustrie, um Laktose-Intoleranzen bei Verbrauchern zu begegnen. In einem weiteren Projekt geht es um verbesserte Amylasen für die Herstellung auf Stärke basierender Produkte, die in der Papier-, Klebstoff- oder Textilindustrie Einsatz finden. Die Entwicklungen neuer Anwendungen für das BRAIN-Geschäftssegment BioIndustrials zielen verstärkt auf Spezialenzymgeschäfte, die kleinere Produktionsvolumina benötigen, aber potenziell höhere Gewinnmargen erzielen. Hierzu zählen Spezialenzyme für Hersteller von Fruchtsäften und anderen Produktklassen der Nahrungsmittelindustrie. Die von Dr. Alexander Pelzer bei BRAIN entwickelten und im Artikel „Biodiversität geht auch anders“ beschriebenen Ansätze zur Identifizierung neuer Enzymkandidaten und deren anschließenden Optimierung per Modellierung und Protein Engineering sind wesentliche Bestandteile dieser Strategie.

Berlagerung Enzyme

Die Modelle zweier farblich unterschiedlicher Enzyme werden zur Bewertung der strukturellen Ähnlichkeit übereinander gelegt. Nur Strukturbereiche, die sich ähnlich sind, können zur Deckung gebracht werden.

Auf seiner Entdeckungstour durchforstet Pelzer jedoch nicht Flora oder Fauna. Vielmehr durchkämmt und analysiert er systematisch Big Data in stetig wachsenden Datenbanken mit publizierten Metagenomdaten von Organismen, die sich an hochdiversen Plätzen und Flächen auf oder in der Erde tummeln. Mithilfe moderner Software und eines reichen Erfahrungsschatzes vergleicht er die Erbinformationen dieser Lebewesen mit der DNA anderer beschriebener Mikroben, von denen bekannt ist, dass sie besonders nützliche Enzyme produzieren. Interessant wird es immer dann, wenn sich anhand computer- und 3D-Bild-gestützter Analysen Sequenzähnlichkeiten in spannenden Organismen finden lassen.

Die Eigenschaften sowie Funktionsweisen zahlreicher Enzyme auf dem Markt sind detailliert beschrieben und der Enzymmarkt wächst beständig. Vor allem Enzyme, die nicht für die klassischen Enzymmärkte, sondern für sehr spezielle Anwendungen benötigt werden, stehen im Zentrum des Interesses.

Alexander Pelzer
© Luise Böttcher, BRAIN AG

Dr. Alexander Pelzer

Dr. Alexander Pelzer studierte Biologie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Während seiner Promotion am Institut für Molekulare Enzymtechnologie im Forschungszentrum Jülich beschäftigte er sich mit der Produktion sowie der biochemischen und physiologischen Charakterisierung verschiedener Enzyme aus Pseudomonaden. Seit 2014 ist er als Research Scientist und Project Manager bei der BRAIN AG tätig.

Liebeton Klaus

Dr. Klaus Liebeton

Dr. Klaus Liebeton absolvierte ein Biologie-Studium mit Abschluss Diplom an der Ruhr-Universität Bochum. Danach war er drei Jahre als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Mikrobiologie tätig und widmete sich im Anschluss seiner Doktorarbeit im Bereich Molekularbiologie unter der Supervision von Prof. Karl-Erich Jäger. In der Folge wechselte er als Postdoktorand in die Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Manfred Reetz am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mühlheim an der Ruhr. Seit 2000 arbeitet Klaus Liebeton als Projektleiter und Plattform-Koordinator bei BRAIN.

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