Endosporen-basierte Immobilisierung von Lipasen für die anspruchsvolle Biokatalyse

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Marion Ansorge-Schumacher; Professor Dr. Thorsten Mascher
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417423160

Enzymkatalysierte Reaktionen sind unverzichtbare Bestandteile der modernen chemischen Synthese, da sie mit herausragender Selektivität und unter milden Bedingungen ablaufen können. Kommerziell genutzte Enzyme müssen meist jedoch immobilisiert werden, um Robustheit und Langzeitaktivität zu erhöhen. Wesentliche Nachteile gängiger Methoden sind nicht vorhersagbarer Immobilisierungserfolg, Verlust von Enzym vom Trägermaterial und direkter Einfluss der Immobilisierung auf die Enzymaktivität. Neue Ansätze zur Ausweitung des aktuellen Portfolios an Immobilisierungsstrategien sind daher erforderlich.Das hier beantragte Forschungsprojekt stellt sich dieser Herausforderung mit dem Ziel, eine neue und nachhaltige, bio-basierte Auto-immobilisierungsplattform zu entwickeln. Diese nutzt die Endosporenkruste des biotechnologischen „Arbeitspferdes“ Bacillus subtilis, die kürzlich als neuartige Plattform für die Proteinexposition beschrieben wurde (sog. SporoBeads), und strebt deren Etablierung und Optimierung für enzymkatalysierte Reaktionen in technischen Medien an. Zusätzlich soll versucht werden, sie für das Screening der katalytischen Leistungsfähigkeit von Enzymvarianten direkt unter technischen (immobilisierten) Bedingungen einzusetzen. Praktische Relevanz dieser Studie wird durch Fokussierung auf den bislang kaum untersuchten, synthetisch jedoch hochinteressanten Lipase-katalysierten Umsatz von Silyletherbindungen als Modellreaktion gewährleistet. Die avisierten Ziele können nur durch die im vorliegenden Antrag erfolgte enge Verzahnung der Expertisen der beiden PIs – i) lipase-katalysierter Biokatalyse in technischen Medien, sowie ii) die Fähigkeit der effizienten genetischen Manipulation von B. subtilis und Nutzung seiner Endosporendifferenzierung – erreicht werden.Zunächst werden die grundlegenden Technologien zur Umsetzung des Projektes untersucht und etabliert. Dabei wird ein Portfolio an Lipasen zum Umsatz von Silylethern analysiert und SporoBeads als Auto-Immobilisierungsplattform für Lipasen unterschiedlicher struktureller Komplexität etabliert. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden zur Einschätzung des Potenzials Lipase-funktionalisierter SporoBeads unter den besonderen Anforderungen der synthetischen Anwendung genutzt. Desweiteren werden SporoBeads als Screening-Plattform für Proteindesign evaluiert. Hierzu werden Enzymvarianten, die aus der strukturgetriebenen Optimierung von Lipasen zur Bildung von Silylethern hervorgegangen sind, auf SporoBeads immobilisiert und so deren Potenzial als genetische Screeningstools evaluiert. Abschließend werden SporoBeads, die mit verbesserten Lipasen funktionalisiert sind, hinsichtlich der biokatalytischen Leistungsfähigkeit unter anspruchsvollen Bedingungen optimiert.Die gewonnenen Erfahrungen dürften auch über Lipasen hinaus in einer Strategie zur effizienten Optimierung und Anpassung der SporoBeads sowohl in anspruchsvollen Reaktionen mit anderen Enzymen als auch als Screening-Plattform resultieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen