Arbeitsgruppe Industrielle Biotechnologie

Die Schwerpunkte in der Arbeitsgruppe Industrielle Biotechnologie decken einen großen Bereich der biotechnologischen Forschung ab. Während unserer Entwicklung von Bioprozessen werden meist molekularbiologische mit ingenieurwissenschaftlichen Methoden kombiniert.

Terpenoide, Fettsäure- und Aminosäure-Derivate

Ein Fokus unserer Forschung liegt auf der biotechnologischen Synthese von Aroma- und Duftstoffverbindungen, funktionellen Inhaltsstoffen, Pharmazeutika sowie anderen Substanzen, die oft als Zwischenprodukte für weitere chemische Syntheseschritte von Interesse sind. Besonderes Interesse besteht dabei an Terpenoiden sowie Fett- und Aminosäurederivaten. Im Fall der Terpenoide erforscht die Arbeitsgruppe auch intensiv neuartige natürlich vorkommende und synthetische Strukturen und deren mögliche Anwendungen. Die industrielle Biotechnologie bietet in vielen Fällen die Möglichkeit, gewünschte Produkte unter Verwendung von Wildtyp-Stämmen oder gentechnisch veränderten Mikroorganismen und Enzymen mit nachhaltigen Bioprozessen unter definierten und reproduzierbaren Bedingungen herzustellen.

Enzymkatalyse

Für die industrielle Produktion liegt das Potenzial der Enzymkatalyse in der Entwicklung  neuer  Prozesse  für  hochspezifische und ressourcensparende Stoffumwandlungen. Mit seinem interdisziplinären Team deckt die Arbeitsgruppe Bioverfahrenstechnik alle wesentlichen Schritte bei der Entwicklung von enzymbasierten Prozessen ab: Isolierung und Charakterisierung zuvor unbekannter Enzyme, Enzyme Engineering, Erweiterung der Substrat- und Produkt-Spektren, Einsatz alternativer Lösungsmittel (z.B. Deep Eutectic solvents oder überkritisches CO2), Enzym-Engineering sowie Entwicklung von neuartigen Reaktorkonzepten (u.a. Enzym-Membran-Reaktoren oder elektroenzymatische Reaktoren). Der Fokus liegt dabei  auf Prozessen mit Oxidoreduktasen, insbesondere P450 Monooxygenasen, Dioxygenasen, Enoatreduktasen, Peroxidasen sowie Peroxygenasen.

Metabolic Engineering

Mit dem Ziel einer hohen Produktbildungsrate werden während der Entwicklung von effizienten Produktionsorganismen meist die Kohlenstoff-Flüsse in zellulären Stoffwechselwegen moduliert. Dabei werden neben der quantitativen Analyse von Transkriptom, Proteom und Metabolom und dem nachfolgenden Eingriff in Biosynthesewege vielfach auch Hochdurchsatz-Screening- (z.B. FACS- oder LC-MS/MS-basiert) sowie Selektions-Strategien angewandt. Viel Erfahrung besitzt die Gruppe dabei speziell in der Isolierung verbesserter Stämme ohne den Einsatz gentechnischer Methoden. Neben der Optimierung der entsprechenden Stoffwechselwege liegt ein weiterer Fokus auf der Analyse und der maßgeschneiderten Anwendung von zellulären Mechanismen zur Erhöhung der Produkt- und Substrat-Toleranz der Organismen.

C1-basierte Bioprozesse

In der Biotechnologie werden bisher nachwachsende Rohstoffe auf breiter Basis eingesetzt, da sie die natürlichen Substrate der meist eingesetzten Mikroorganismen darstellen. Der prognostizierte Zuwachs biotechnologischer Verfahren für eine künftige Herstellung signifikanter Mengen an Flüssigkraftstoffen sowie Grund- und Feinchemikalien macht derzeit die Evaluierung alternativer Rohstoffquellen auch für die Biotechnologie immer wichtiger. Im Zentrum unserer Forschungsarbeiten dazu stehen Methanol- und CO2-verwertende Mikroorganismen. Das methylotrophe Bakterium Methylobacterium extorquens wird beispielsweise zur Produktion von Sesquiterpenen oder Dicarbonsäuren eingesetzt. Das Knallgasbakterium Cupriavidus necator (Ralstonia eutropha) setzt CO2/H2/O2 zu Basischemikalien um. Weiterhin stellt die Veredelung von Biogas durch Umsatz des enthaltenen CO2 zu CH4 einen Forschungsschwerpunkt dar. Bei allen diesen Projekten zur C1-Biotechnologie werden sowohl molekularbiologische als auch technische Fragestellungen adressiert, um in vielen Fällen die Machbarkeit entsprechender Verfahren mittels Pilot-Prozessen im Labormaßstab zu demonstrieren.

Bioprozessentwicklung

Der biologische Teil unserer Forschung wird bereits in einem frühen Stadium der Bioprozess-Entwicklung durch verfahrenstechnische Ansätze ergänzt. Wir entwickeln biotechnologische Produktionssysteme von Fein- und Basischemikalien sowie Biopharmazeutika mit Hilfe von Enzymen, prokaryotischen oder eukaryotischen Zellen. Es ergreift methodologisch den Ansatz eines vertieften ganzheitlichen Systemverständnisses, um effizient die Reaktions- und Verfahrensbedingungen zu optimieren. Die wissensbasierte Prozessentwicklung beginnt oft  im µl-Maßstab und kann bis zu 30 L hochskaliert werden. Wir designen neue in situ Produktrückgewinnungssysteme basierend auf Adsorption, Membrantrennung oder organischer Lösungsmittelextraktion, um vollständig das metabolische Potential des konstruierten Produktstammes zu nutzen. Eine "Spezialität" in unserer Gruppe ist die Optimierung der Produktivität von filamentösen Mikroorganismen (zum Beispiel Aspergillus niger) durch Beeinflussung ihrer Morphologie.

Bioelektrochemische Synthesen

Eine Plattform-Technologie zur Etablierung neuartiger ressourceneffizienter Verfahren basiert auf der Integration von biotechnologischen und elektrochemischen Reaktionsschritten. Diese basiert auf der Verbindung von Enzymen und ganzen Zellen mit Elektroden. Die bioelektrochemischen Systeme können zur Herstellung von Fein- und Plattformchemikalien verwendet werden. Um die mikrobielle sowie die enzymatische Elektrosynthese vom Labormaßstab zu industriellen Anwendungen zu bringen muss die komplette Prozesskette in ihrer inhärenten Komplexität angegangen werden. Daher werden die meisten der oben genannten Techniken - Metabolic Engineering, Enzymoptimierung und Bioprozess-Entwicklung kombiniert, um neue Produktionswege zu ermöglichen.



Die AG Bioverfahrenstechnik am DECHEMA Forschungsinstitut in Frankfurt/Main entwickelt neuartige biotechnologische Produktionssysteme.
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