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Bio- und Chemokatalyse

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Harald Gröger/ Universität Bielefeld

Auf eine enge Liäson von chemischer Synthese und Biokatalyse haben es Forscher aus Bielefeld und Düsseldorf abgesehen.

18.06.2013 Projektporträt

unspezifisch unspezifisch Biotechnologie/Systembiologie

Bio- und Chemokatalyse unter einem Dach

In der Biotechnologie sind Enzyme als Biokatalysatoren im Einsatz, die Synthese-Chemie wiederum setzt oftmals auf Chemokatalysatoren. Doch bisher gibt es kaum Fälle, in denen chemo- und biokatalytische Reaktionen erfolgreich kombiniert wurden. Diese enge Verzahnung der beiden „Katalyse-Welten“ hat sich ein Forschertandem um den Bielefelder Chemiker Harald Gröger und den Enzymtechnologen Werner Hummel von der Universität Düsseldorf vorgenommen. Das Forschertandem will das Konzept der chemoenzymatischen Mehrstufen-Eintopfsynthesen vorantreiben, um damit Spezial- oder Feinchemikalien herzustellen.

Nanoporen im Hydrogel

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Thomas Burg

Hydrogele haben interessante Eigenschaften, die sich für die biotechnologische Stofftrennung nutzen lassen.

14.06.2013 Projektporträt

unspezifisch unspezifisch Biotechnologie/Systembiologie

Funktionalisierte Nanoporen für die Stofftrennung

Stofftrennung ist ein wichtiger Arbeitsschritt in der biotechnologischen Praxis. Doch die konventionellen Methoden sind oft aufwändig, kostenintensiv und schlecht skalierbar. Der Forscher Thomas Burg vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen will mit Hilfe neuer Nanofabrikationsmethoden sogenannte biologische Hydrogele zur Lösung dieses Problems nutzbar machen. Hydrogele wirken in Zellen und Geweben oft als hochselektive Barrieren, welche einen kontrollierten Transport von Molekülen ermöglichen. Burg möchte solche Gele in sehr dünne nanoporöse Feststoffmembranen integrieren. Dazu entwickelt er eine Mikrofluidikplattform, mit der sich die Funktionsweise der Gele untersuchen und künftig einmal Stoffgemische in zellfreien Produktionssystemen aufreinigen lassen.

Enzyme in Kapseln

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NMI, Reutlingen

Enzyme in Kapseln packen und so für die Arbeit in organischen Lösungsmitteln rüsten. Das ist das Ziel bei Enzcaps

14.06.2013 Projektporträt

unspezifisch unspezifisch Biotechnologie/Systembiologie

Enzcaps: Enzymkapseln in organischen Lösungsmitteln

Robin Ghosh will Enzyme einsperren: „Im Inneren von Mikrokapseln sollen sie aus einem Ausgangsprodukt in mehreren Schritten das gewünschte Endprodukt herstellen.“ Das Besondere an dem von Ghosh koordinierten Verbundprojekt „EnzCaps“ ist die Umgebung, in der die Reaktionen stattfinden sollen: organische Lösungsmittel. Das württembergische Team will so das Anwendungsspektrum der enzymatischen Biotechnologie erweitern. Viele wichtige Ausgangs- und Endprodukte sind nicht in wässriger Umgebung löslich. Enzymreaktionen in organischen Lösungsmitteln sollen hier einen Ausweg bieten. Doch bis es soweit ist, müssen zunächst einmal Enzyme entwickelt werden, die auch in der für sie ungewohnten Umgebung zufriedenstellend arbeiten.

Monolithen

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Michael Buchmeiser/Universität Stuttgart

Monolithen sind Trägermaterialien mit einer porösen Struktur.

11.06.2013 Projektporträt

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Bioliths: Neue Enzym-Bioreaktoren für ionische Flüssigkeiten

In der Bioanalytik werden – etwa in Trenn- und Affinitätssäulen – meist dichtgepackte Kügelchen eingesetzt. Ein anderes Konzept stellen die Monolithen dar, das sind homogene polymere Matrix-Strukturen, die von winzigen Poren durchsetzt sind. Ein Verbundprojekt namens „Bioliths“ um den Stuttgarter Polymerchemiker Michael Buchmeiser und den Biotechnologen Bernhard Hauer möchte ein innovatives monolithisches Trägermaterial entwickeln, das sich einmal als Reaktor für bestimmte Enzyme eignen soll. Hierbei sollen die Enzyme jedoch nicht in wässriger Umgebung arbeiten, sondern in ionischen Flüssigkeiten. Davon versprechen sich nicht nur die Forscher aus Stuttgart viel Potenzial für neue Produkte. Auch das Geesthachter Bioanalytik-Unternehmen GALAB Laboratories GmbH ist an dem Projekt beteiligt.

Fütterung von Mikroben mit Elektronen

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Dirk Holtmann/DFI Close

Über den Weg der sogenannten mikrobiellen Elektrosynthese könnten interessante Chemikalie oder Energieträger entstehen.

10.06.2013 Projektporträt

unspezifisch unspezifisch Biotechnologie/Systembiologie

Mikroben als stromgetriebene Zellfabriken

Das Konzept der mikrobiellen Brennstoffzelle funktioniert so: Bakterien bauen energiereiche Substanzen ab und die entstehenden Elektronen können an eine Elektrode abgegeben werden – Strom wird gewonnen. Denkbar ist auch der umgekehrte Fall: Werden geeignete Bakterien mit elektrischer Energie gespeist, werden sie zu zellulären Fabriken, die aus der Zutat Kohlendioxid interessante Chemikalien oder Energieträger herstellen können. „Mikrobielle Elektrosynthesen“ heißt dieses Konzept, dem sich ein Forschertandem des gemeinnützigen DECHEMA-Forschungsinstituts (DFI) in Frankfurt widmen will. Das interdisziplinären Wissenschaftlerteam um Dirk Holtmann und Klaus-Michael Mangold will dazu in der Natur nach geeigneten Mikroben fahnden oder sie molekularbiologisch für die Elektrosynthese fit machen. Zudem wollen die beiden Kollegen geeignete elektrochemische Reaktorsysteme entwickeln.

Elektronenübertragung mit Enzymen

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Norbert Sträter

Enzyme, die in Elektronenübertragungen involviert sind, direkt über einen Chip mit Strom antreiben.

10.06.2013 Projektporträt

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Stromantrieb für Redoxenzyme

Monooxygenasen sind wahre Alleskönner. Norbert Sträter, beteiligt am Verbundprojekt „Stromgetriebene Redoxenzyme für Hydroxylierungsreaktionen“, ist von der Unentbehrlichkeit dieser Proteine überzeugt: „Solche Redoxenzyme – zu denen vor allem die Cytochrome P450 gehören – werden zum Beispiel bei der biotechnologischen Synthese von Feinchemikalien als auch von Pharmazeutika eingesetzt.“ Chemisch gesehenen wird genau ein Sauerstoffatom eines Sauerstoffmoleküls auf das gewünschte Substrat übertragen, das zweite Sauerstoffatom wird zu Wasser reduziert. Die für diese Reaktion notwendigen Elektronen werden bisher vor allem über Reduktionsäquivalente wie NADPH bereitgestellt. Aber ausgerechnet für die Herstellung beziehungsweise das Recyceln dieser Moleküle gibt es noch keine biotechnologisch sinnvolle Lösung.

Elektrozym

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Ramona Samba/NMI

P450-Enzyme und Hightech-Elektroden über Nanoröhrchen koppeln - das ist das Ziel des Forschertandems unter dem Titel Elektrozym.

06.06.2013 Projektporträt

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Enzym-Elektroden für biotechnologische Synthesen

Die biotechnologische Herstellung von Grundchemikalien ist deshalb schwierig, weil entsprechende Enzyme oft nicht verfügbar sind oder nicht die für ein wirtschaftliches Verfahren notwendigen Aktivitäten aufweisen. Ein hohes Anwendungspotenzial existiert für Oxidationen, etwa wenn es darum geht C-H Bindungen selektiv zu oxidieren. Forscher aus Stuttgart und Reutlingen wollen in dem Tandem-Projekt „ElektroZym“ ein Cytochrom P450- Enzym auf chemische Umwandlungsschritte im Industriemaßstab trimmen. Dazu sollen die Proteine mit Carbon-Nanoröhrchen (CNT) gekoppelt werden.

Photobioelektrode

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Fred Lisdat/ TH Wildau

Eine Photobioelektrode fängt Licht über ein Photosystem ein (Mitte) und überträgt Elektronen auf ein Synthese-Enzym.

03.06.2013 Projektporträt

unspezifisch Mikroorganismen Biotechnologie/Systembiologie

Auf dem Weg zur Photobioelektrode

Enzymreaktionen durch Licht antreiben, Sonnenenergie in biochemische Wertstoffe umwandeln – das ist das Ziel des Forschertandems um Fred Lisdat von Technischen Hochschule Wildau und die Biophysiker Heiko Lokstein und Athina Zouni von der TU Berlin. Die Forscher wollen die Sonnenenergie nutzen, um biokatalytische Prozesse zu steuern. Dazu wollen sie eine sogenannte Photobioelektroden-Struktur entwickeln. Sie soll eine durch Licht aktivierbare Elektrode mit einem Enzymsystem kombinieren. Die Tandempartner bringen Expertisen aus der Photosynthese-Forschung, Elektrochemie und Bionanotechnologie zusammen.

Computermodell eines rational modellierten Peptids.

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Berensmeier, Wenzel

Computermodell eines rational modellierten Peptids.

22.05.2013 Projektporträt

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Proteinhaftung mit Design

In der Vergangenheit wurden viele technisch nutzbare Biomoleküle nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum hergestellt. Der rasante Anstieg in der Rechenleistung von Computern erlaubt es heute, solche Moleküle mit Modellen zu simulieren und Veränderungen gezielt zu planen. Die Herangehensweise des rationalen Designs wollen auch Sonja Berensmeier von der Technischen Universität München und Wolfgang Wenzel vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) für ihr gemeinsames Forschungsprojekt nutzen. Unter dem Titel „Rationale Entwicklung von Peptid-Oberflächen-Interaktionen“ arbeitet das Forschertandem künftig auf dieses Ziel hin.

Standardmeldung

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Gesunde und sichere Lebensmittel produzieren

Eine gesunde Ernährung setzt ein entsprechendes Angebot an Lebensmitteln voraus. Im Bereich der landwirtschaftlichen Produktion gilt es daher, die Qualität von pflanzlichen und tierischen Produkten zu optimierten. Mit unterschiedlichen Fördermaßnahmen will die Nationale Forschungsstrategie Bioökonomie dazu beitragen, die Wirkung von Lebensmitteln auf die Gesundheit zu erforschen und die Qualität und Sicherheit von Lebensmitteln zu verbessern.

03.05.2013 Projektporträt

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SeleKomM: Die Biotech-Kopie eines Golgi-Apparates

In der Zelle bekommen viele neu entstehende Proteine erst im Golgi-Apparat den letzten Schliff. In diesem Stapel von membranumschlossenen Räumen werden die Proteine modifiziert: Mal wird ein Zucker- oder Fettsäurerest angehängt, mal das Protein phosphoryliert. Da vielen biotechnologisch hergestellten Eiweißmolekülen dieser Feinschliff fehlt, wollen Frank Rosenau aus Ulm und seine Mitstreiter vom Verbundprojekt SeleKomM den Golgi-Apparat nachahmen – in Form eines Bioreaktors. Dafür forschen sie zum Beispiel an technischen Membranen, die anders als biologische Membranen aus Kunststoffen hergestellt werden.

Michael Jewett hält einen Vortrag

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Florian Dahnke

Michael Jewett bezeichnete die Entwicklung von effizienten Bioreaktoren aktuell als größte Hürde einer zellfreien Bioproduktion.

27.03.2013 Projektporträt

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Gesucht: Effizienter Bioreaktor für zellfreie Produktion

Eiweiße gezielt für die Industrie herstellen, mit zellfreien Systemen – mit diesem Ziel war das Verbundprojekt „Biomoleküle vom Band – Zellfreie Bioproduktion“ der Fraunhofer Gesellschaft als erste Maßnahme im Strategieprozess „Biotechnologie 2020+“ im Jahr 2011 gestartet. Am 14. März haben sich nun alle beteiligten Forscher des Konsortiums zum jährlichen Erfahrungsaustausch in Berlin getroffen. Fazit: Immer mehr kristallisiert sich inzwischen heraus, wo künftig weiterer Forschungsbedarf besteht – etwa bei der Etablierung von Bioreaktoren für eine zellfreie Produktion.

Schale und Pipette

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SL

Zellkulturen für die Produktion von Naturstoffen könnten bald durch zellfreie Systeme aus Multienzymkomplexen ersetzt werden.

27.03.2013 Projektporträt

unspezifisch unspezifisch Biotechnologie/Systembiologie

Das Enzymchanneling verstehen

Für die Produktion von komplexen Naturstoffen werden heutzutage häufig lebende Zellen genutzt. Das ist meist günstiger als aufwendige, rein chemische Synthesen, stößt aber auch immer wieder an Grenzen: Die Zellen müssen kontinuierlich mit Luft und Nährstoffen versorgt werden, es geht Energie für die Bildung von Biomasse und den Erhaltungsstoffwechsel verloren und die zu produzierenden Naturstoffe dürfen für die Zelle selbst nicht giftig sein. Viel einfacher wäre es, statt lebender Zellen nur ein zellfreies System aus Multienzymkomplexen mit mehreren hintereinander geschalteten Enzymen zu nutzen.

Diblockcopolymere unter dem Elektronenmikroskop

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KIT/Christopher Barner-Kowollik

Membran aus Diblockcopolymeren unter dem Elektronenmikroskop.

01.03.2013 Projektporträt

unspezifisch unspezifisch Biotechnologie/Systembiologie

Robuste Membranen aus Blockpolymeren

Wenn es um die Aufreinigung von Lösungen oder Proben geht, nutzen Forscher häufig Membranen, um Stoffe zu filtern. Das Team um Christopher Barner-Kowollik vom Karlsruher Institut für Technologie und Felix Schacher von der Friedrich-Schiller-Universität Jena arbeitet an der nächsten Generation dieser Filtermaterialien. Die auf Blockcopolymeren basierenden Membranen könnten den gewöhnlichen Filtern gleich in mehrfacher Hinsicht überlegen sein. Im Verbundprojekt „BioCoBra – Robuste und vielseitige asymmetrische Membranen auf Basis schaltbarer Blockpolymere“ – sollen neuartige Werkstoffe für Filtermaterialien hergestellt und genau charakterisiert werden.

Modell des großen Fusionsproteins

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Vlada Urlacher Close

Im Modell des großen Fusionsproteins (rechts, farbig) erkennt man noch die durch Verbindungsstücke aneinandergereihten Enzyme.

28.02.2013 Projektporträt

unspezifisch unspezifisch Biotechnologie/Systembiologie

SupraRedoxModul: Kurze Wege im Enzymkäfig

Was für Stadtplaner ein erstrebenswertes Ziel ist, hat auch für Biochemiker seinen Reiz: Kurze Wege. Wissenschaftler von der Universität des Saarlandes um Rita Bernhardt (Biochemie) und Michael Hutter (Bioinformatik), der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf um Vlada Urlacher (Biochemie) sowie der Universität Leipzig um Roger Gläser (Technische Chemie) möchten gern alle für eine fortlaufende enzymatische Umwandlung nötigen Mitspieler an einem Ort zusammenbringen. Ihnen schwebt eine Art „Superenzym“ vor. Der Name des Verbundprojektes „SupraRedoxModul“ verrät: Es dreht sich um Redoxenzyme.

Aus Acetat und ATP entsteht Flaviolin

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Elmar Heinzle

27.02.2013 Projektporträt

unspezifisch unspezifisch Biotechnologie/Systembiologie

Multi-Enzym-Katalyse mit löchrigen Zellen

Die Produktion von komplexen Naturstoffen in biologischen Zellen ist eigentlich nichts Neues. Die Idee, für die Synthese der Naturstoffe Zellen mit löchriger Membranhülle zu nutzen hingegen schon. Sie steht im Zentrum des explorativen Projekts „MECAT – Multi-Enzym-Katalyse mit permeabilisierten Zellen“. Mit demTrick könnte die Produktion bisher biotechnologisch nicht herstellbarer komplexer Moleküle gelingen, ist das Team um Elmar Heinzle vom Institut für Technische Biochemie der Universität des Saarlandes überzeugt. Sie wollen das Verfahren nun für den Einsatz im Labor fitmachen.

Pickering-Emulsionen

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Anja Drews/Marion Ansorge-Schumacher Close

Die Partikel in sogenannten Pickering-Emulsionen stabilisieren Gemische aus wasserliebenden und wasserabstoßenden Lösungen.

27.02.2013 Projektporträt

unspezifisch unspezifisch Biotechnologie/Systembiologie

Pickering-Emulsionen für die Biotechnologie

Kleine Partikel können Mischungen von wasserliebenden und wasserabstoßenden Lösungen, sogenannte Emulsionen, stabilisieren. Diesen Effekt hat der britische Chemiker Percival Pickering 1907 beschrieben. Die Pickering-Stabilisierung wird bereits seit Jahren in der Chemie als Extraktionsverfahren eingesetzt. Geht es nach Anja Drews und Marion Ansorge-Schumacher, haben durch Pickering stabilisierte Emulsionen bald eine Zukunft in der Biotechnologie. Im Forschertandem mit dem Titel "BioPICK" wollen die Forscherinnen passende Systeme und Membranreaktoren für Pickering-Emulsionen entwickeln und so deutlich mehr Reaktionen für biotechnologische Prozesse verfügbar machen.

Standardmeldung

unspezifisch unspezifisch unspezifisch

Nachwachsende Rohstoffe industriell nutzen

Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe für industrielle Prozesse schont Natur, Umwelt und Klima und schafft eine Unabhängigkeit vom Öl. Die industrielle Biotechnologie ist dabei ein wichtiger Impulsgeber und leistet einen entscheidenden Beitrag für den Strukturwandel von einer erdöl- zu einer bio-basierten Industrie. Unter dem Dach des Handlungsfeldes "Nachwachsende Rohstoffe industriell nutzen" wird diese Entwicklung in der Nationalen Forschungsstrategie Bioökonomie weiter vorangetrieben.

Ein porenbildendes Protein

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Schwaneberg/Böker

Modell der Proteinstruktur des porenbildenden Proteins. Gezeigt sind die Fass- und die Korken-Domäne sowie Wassermoleküle.

27.02.2013 Projektporträt

unspezifisch unspezifisch Chemie

Molekülfilter aus chiralen Membranen

Die Synthese von seltenen Aminosäuren ist technisch herausfordernd und kostspielig. Der Grund: Bei den chemischen Synthesen entsteht häufig ein racemisches Gemisch, also ein Mix aus sogenannten L- und D-Aminosäuren. In Größe und der Zahl der Atome unterscheiden sich diese Geschwistermoleküle zwar nicht, dafür aber in ihrer räumlichen Anordnung, die für ihre Funktion entscheidend sind. In einem Forschertandem arbeiten Proteiningenieur Ulrich Schwaneberg von Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen und der Polymerexperte Alexander Böker vom Deutschen Wollforschungsinstitut (DWI) an speziellen Membranen, die solche racemische Gemische trennen können.

Eine Durchstichflasche

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Müller/Bernauer/Wenzel Close

In kleinen Durchstichflaschen können die komplexen Naturstoffe für eine spätere Analyse aufbewahrt werden.

27.02.2013 Projektporträt

unspezifisch unspezifisch Biotechnologie/Systembiologie

Biosynthesewege planen und konstruieren

Gerade komplexe Wirkstoffmoleküle lassen sich häufig einfacher durch Mikroben herstellen als mit aufwendigen chemischen Synthesen. Mit biotechnischen Methoden lassen sich Mikroben wie nach dem Baukastenprinzip maßschneidern, um bestimmte Naturstoffe zu synthetisieren. Dieses Ziel verfolgen Silke Wenzel und Rolf Müller von der Universität des Saarlandes und Hubert Bernauer von der Firma ATG:biosynthetics GmbH in Merzhausen bei Freiburg. Die Pharmbiotec GmbH ebenfalls aus Saarbrücken stellt dazu die notwendigen analytischen Werkzeuge zur Verfügung. Im Verbundprojekt „SynBioDesign- Synthetische Biologie zum Design von Produktionssystemem für komplexe Naturstoffe“ soll mithilfe des Metabolic Engineering die Produktion komplexer Moleküle optimiert werden. Damit könnten sich künftig in den Mikroben auch Moleküle in neuen Strukturvarianten herstellen lassen, die sich bisher nicht gewinnen ließen.