Entwicklung biokatalytischer Reaktionsrouten

Anfrage

Die Entwicklung biokatalytischer Reaktionsrouten ist eine umfassende Dienstleistung, die die rationale Konzeption, Optimierung und Implementierung enzymgetriebener Produktionswege für hochwertige Chemikalien, Arzneimittel und biobasierte Materialien ermöglicht. Durch die Integration von Design synthetischer Stoffwechselwege, metabolischer Flussanalyse, Genom-Engineering und metabolischem Pathway-Engineering liefert Creative Enzymes robuste und skalierbare biokatalytische Lösungen, die auf industrielle Anforderungen zugeschnitten sind. Unser Ansatz kombiniert computergestützte Modellierung, Systembiologie, fortgeschrittenes Genetic Engineering und experimentelle Validierung, um konzeptionelle biosynthetische Routen in kommerziell tragfähige Herstellprozesse zu überführen. Von der frühen Machbarkeitsbewertung über die Stammentwicklung/-optimierung bis hin zum Scale-up unterstützen wir Projekte entlang der gesamten Entwicklungskette und helfen Kunden, Entwicklungszeiten zu verkürzen, Risiken zu reduzieren und das volle Potenzial der Biokatalyse auszuschöpfen.

Dienstleistungen zur Entwicklung biokatalytischer Reaktionsrouten bei Creative Enzymes

Hintergrund: Bedarf an rationaler Entwicklung biokatalytischer Reaktionsrouten

Die Biokatalyse hat sich zu einer Schlüsseltechnologie für eine nachhaltige chemische Produktion entwickelt und bietet im Vergleich zur klassischen chemischen Synthese eine hohe Selektivität, milde Reaktionsbedingungen und eine geringere Umweltbelastung. Der erfolgreiche industrielle Einsatz biokatalytischer Prozesse hängt jedoch nicht nur von der Leistungsfähigkeit einzelner Enzyme ab, sondern ebenso von der koordinierten Auslegung und Optimierung kompletter Reaktionsrouten in lebenden Systemen oder in enzymatischen Kaskaden.

Biokatalytische Reaktionsrouten sind inhärent komplex. Sie umfassen mehrere enzymatische Schritte, miteinander verknüpfte Stoffwechselwege, globale zelluläre Regulation, Cofaktor-Balancierung sowie Konkurrenz mit nativen Stoffwechselfunktionen. Klassische Trial-and-Error-Ansätze reichen häufig nicht aus, um diese Komplexität effizient zu beherrschen – insbesondere, wenn hohe Ausbeute, Produktivität, Robustheit und Skalierbarkeit erreicht werden sollen.

Die Entwicklung biokatalytischer Reaktionsrouten adressiert diese Herausforderung durch die Integration mehrerer Ebenen biologischer und ingenieurtechnischer Optimierung. Anstatt Pathway-Design, Strain Engineering und Prozessentwicklung als isolierte Aufgaben zu behandeln, verfolgt diese Dienstleistung eine ganzheitliche, systemorientierte Perspektive. Durch die Kombination rationaler Auslegung mit datengetriebener Optimierung und kombinatorischer Exploration können biokatalytische Reaktionsrouten so entwickelt werden, dass sowohl technische als auch kommerzielle Zielsetzungen erfüllt werden.

Unser Angebot: Ein modulares und integriertes Dienstleistungsportfolio

Wir bieten ein flexibles und zugleich umfassendes Portfolio an Dienstleistungen, die je nach Projektstatus und Kundenanforderungen einzeln oder als integriertes Entwicklungsprogramm eingesetzt werden können.

Dienstleistungen		Preis
Metabolische Flussanalyse für biokatalytische Systeme	Die metabolische Flussanalyse (MFA) liefert quantitative Einblicke in intrazelluläre Stoffwechselzustände, indem sie Verteilung und Größe metabolischer Flüsse bestimmt. Mithilfe stöchiometrischer, isotopenunterstützter und hybrider Modellierungsansätze ermöglicht die MFA die Identifikation von Pathway-Engpässen, konkurrierenden Reaktionen und Cofaktor-Ungleichgewichten. Diese Erkenntnisse unterstützen rationale Engineering-Entscheidungen und reduzieren experimentelle Unsicherheiten während der Routenoptimierung.	Anfrage
Design synthetischer Stoffwechselwege für die Biokatalyse	Das Design synthetischer Stoffwechselwege fokussiert auf die Identifikation, Assemblierung und Optimierung biosynthetischer Routen, die Zielverbindungen effizient herstellen können. Unter Nutzung von Datenbanken, bioinformatischen Tools und Know-how im Enzyme Engineering werden synthetische Pathways so ausgelegt, dass theoretische Ausbeute, thermodynamische Machbarkeit und Wirt-Kompatibilität maximiert werden. Sowohl native als auch heterologe Stoffwechselwege werden bewertet und anwendungsspezifisch angepasst, um definierte Projektziele zu erreichen.
Genom-Engineering zur Optimierung biokatalytischer Stoffwechselwege	Genom-Engineering führt multiple, genomweite Perturbationen ein, um das zelluläre Verhalten global zugunsten der Produktbildung zu reprogrammieren. Mit Technologien wie CRISPR-basiertem Multiplex-Editing, MAGE und randomisierten genomweiten Ansätzen werden große Stammbibliotheken erzeugt und gescreent, um überlegene Phänotypen zu identifizieren. Genom-Engineering ist insbesondere für die Verbesserung von Toleranz, Robustheit und der Balance der Pathway-Expression geeignet.
Integriertes metabolisches Pathway-Engineering für die Biokatalyse	Integriertes metabolisches Pathway-Engineering kombiniert Pathway-Design, modulare Optimierung, Flussanalyse und großskaliges Gene Editing, um die biosynthetische Leistungsfähigkeit systematisch zu steigern. Strategien wie multimodulare Optimierung, Enzym-Scaffolding, Umverteilung metabolischer Flüsse und der Aufbau von Pathway-Bibliotheken werden eingesetzt, um hochproduktive, skalierbare Produktionsstämme zu generieren.

Service-Details: Technische Tiefe und enabling Capabilities

Mehrstufige Optimierung über biologische Skalen hinweg: Unser Ansatz integriert Optimierungen über mehrere biologische Ebenen, einschließlich Enzymaktivität, Pathway-Architektur, Verteilung metabolischer Flüsse und globaler zellulärer Regulation. Diese Multi-Level-Strategie stellt sicher, dass Verbesserungen auf einer Ebene keine unbeabsichtigten Limitierungen auf einer anderen Ebene verursachen.
Integration computergestützter und experimenteller Plattformen: Computationale Tools steuern das experimentelle Design, während experimentelle Daten die Modelle kontinuierlich verfeinern. Diese iterative Integration erhöht die Vorhersagbarkeit und beschleunigt Entwicklungszyklen.
Breite Wirt- und Produktkompatibilität: Wir unterstützen die Entwicklung biokatalytischer Routen in einer Vielzahl mikrobieller und eukaryotischer Wirte sowie für diverse Produktklassen, darunter Arzneimittel, Feinchemikalien, Spezialmetabolite und fortgeschrittene Zwischenprodukte.
Fortgeschrittenes Screening und Analytik: High-Throughput-Screening-Plattformen in Kombination mit LC-MS, GC-MS und Biosensor-Technologien ermöglichen die effiziente Bewertung großer Bibliotheken und komplexer Phänotypen.

Service-Workflow

Workflow der Dienstleistungen zur Entwicklung biokatalytischer Reaktionsrouten

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Warum wir

Ganzheitliche End-to-End-Entwicklungskompetenz

Wir decken alle Phasen vom Pathway-Konzept bis zur industrienahen Lösung ab.

Tiefe Integration von vier komplementären Disziplinen

Flussanalyse, Pathway-Design, Genom-Engineering und Metabolic Engineering sind eng aufeinander abgestimmt.

Ausgeprägte wissenschaftliche und ingenieurtechnische Expertise

Unsere Teams umfassen Spezialisten für Enzymologie, Systembiologie, Synthetische Biologie und Bioprozess-Engineering.

Datengetriebener und prädiktiver Ansatz

Quantitative Modellierung und hochwertige Daten reduzieren Trial-and-Error-Experimente.

Skalierbarkeit und Industriefokus

Alle Designs werden hinsichtlich Robustheit, Herstellbarkeit und kommerzieller Relevanz bewertet.

Dediziertes Projektmanagement und Kundenbetreuung

Kunden profitieren von klarer Kommunikation, transparenten Meilensteinen und technischer Beratung über den gesamten Projektlebenszyklus hinweg.

Fallstudien: Entwicklung biokatalytischer Reaktionsrouten in der Praxis

Fall 1: Modulare Ganzzell-Kaskaden für eine umweltfreundliche DCA-Produktion

Aliphatische α,ω-Dicarbonsäuren (DCAs) sind wichtige Industriechemikalien, die traditionell über energieintensive und umweltschädliche chemische Oxidationen hergestellt werden. Diese Studie stellt eine umweltfreundliche in vivo-biokatalytische Kaskade zur Umwandlung von Cycloalkanen in DCAs vor. Zur Reduktion der Proteinexpressionslast und zur Behebung von Redox-Ungleichgewichten wurde der synthetische Stoffwechselweg auf drei gentechnisch optimierte E. coli-Zellmodule verteilt, die jeweils entweder redoxneutrale oder redoxregenerierende Funktionen erfüllen. Diese Module wurden zu mikrobiellen Konsortien assembliert, die mehrstufige Oxidationen effizient ohne externe Cofaktoren katalysieren. Das modulare Ganzzell-System erreichte eine effektive Umwandlung von Cycloalkanen und Cycloalkanolen zu DCAs und demonstriert damit eine skalierbare und nachhaltige Alternative zu konventionellen DCA-Herstellprozessen.

Industrielle chemische und entwickelte biokatalytische Prozesse zur Herstellung von Adipinsäure (AA) Abbildung 1. a Aktueller industrieller Prozess zur Synthese von AA mittels mehrstufiger chemischer Oxidation aus Cyclohexan (CH). b Entwickelte One-Pot-biokatalytische Route zur Synthese von AA aus CH unter Verwendung eines Escherichia coli-Konsortiums, bestehend aus drei E. coli-Zellmodulen. (Wang et al., 2020)

Fall 2: Integrierte Bio- und Chemokatalyse-Routen zu Niraparib

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung zweier verbesserter asymmetrischer Syntheserouten zum PARP-Inhibitor Niraparib, die Biokatalyse und Chemokatalyse für eine effiziente API-Herstellung integrieren. Die enantioselektive Synthese eines zentralen 3-Aryl-Piperidin-Fragments wurde über eine neuartige, transaminasevermittelte dynamische kinetische Racematspaltung stabiler Aldehyd-Surrogate erreicht und erweiterte damit den Anwendungsbereich der biokatalytischen Aminierung. Die späte Konvergenz beruhte auf einer hoch ausbeutigen, regioselektiven kupferkatalysierten N-Arylierung mit einem Indazol-Derivat. Umfangreiche mikroskalige High-Throughput-Experimente beschleunigten die Optimierung. Im Vergleich zu früheren Routen liefern die neuen Prozesse deutlich höhere Gesamtausbeuten, eine reduzierte Schrittzahl, verbesserte Skalierbarkeit sowie geringere Kosten und Umweltbelastung und demonstrieren damit die Leistungsfähigkeit eines kombinierten bio- und chemokatalytischen Prozessdesigns.

Prozessentwicklung von C-N-Kreuzkupplung und enantioselektiven biokatalytischen Reaktionen für die asymmetrische Synthese von Niraparib Abbildung 2. Ausgewählte Ergebnisse des Liganden-Screenings der C−N-Kupplung von Indazol 46. (Chung et al., 2014)

FAQs: Häufig gestellte Fragen zur Entwicklung biokatalytischer Reaktionsrouten

F: Worin unterscheidet sich die Entwicklung biokatalytischer Reaktionsrouten vom reinen Enzyme Engineering?

A: Enzyme Engineering verbessert Eigenschaften einzelner Enzyme, während die Entwicklung von Reaktionsrouten das Gesamtsystem optimiert – einschließlich Stoffwechselwegen, Wirtsmetabolismus, Cofaktor-Balance und Prozessintegration –, um die Gesamtleistung und Machbarkeit sicherzustellen.
F: In welcher Phase eines Entwicklungsprogramms sollte diese Dienstleistung eingesetzt werden?

A: Die Dienstleistung kann von der frühen Machbarkeitsprüfung und Routensondierung bis zur späten Optimierung und zum Scale-up eingesetzt werden und unterstützt Projekte über ihren gesamten Lebenszyklus.
F: Können einzelne Teilleistungen unabhängig ausgewählt werden?

A: Ja. Jede Teilleistung kann unabhängig erbracht oder – abhängig von Projektbedarf und Ressourcen – zu einem integrierten Entwicklungsprogramm kombiniert werden.
F: Wie reduzieren Sie das Entwicklungsrisiko?

A: Das Risiko wird durch prädiktive Modellierung, metabolische Flussanalyse und High-Throughput-Screening reduziert, wodurch Engpässe frühzeitig identifiziert und fundierte Entscheidungen ermöglicht werden.
F: Unterstützen Sie die Implementierung im industriellen Maßstab?

A: Ja. Skalierbarkeit und industrielle Umsetzbarkeit werden während des gesamten Prozesses berücksichtigt, einschließlich Unterstützung bei Pilotvalidierung und Übergang in die Herstellung.
F: Wie stark ist die Dienstleistung anpassbar?

A: Alle Projekte werden vollständig auf die spezifischen Zielsetzungen des Kunden, Wirtssysteme, Leistungskriterien und kommerziellen Ziele zugeschnitten.

Literatur:

Chung CK, Bulger PG, Kosjek B, et al. Process development of c–n cross-coupling and enantioselective biocatalytic reactions for the asymmetric synthesis of niraparib. Org Process Res Dev. 2014;18(1):215-227. doi:10.1021/op400233z
Wang F, Zhao J, Li Q, et al. One-pot biocatalytic route from cycloalkanes to α,ω‑dicarboxylic acids by designed Escherichia coli consortia. Nat Commun. 2020;11(1):5035. doi:10.1038/s41467-020-18833-7

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Projektbeschreibung:

Nur für Forschungs- und Industriezwecke. Nicht für den persönlichen Gebrauch bestimmt. Bestimmte Produkte in Lebensmittelqualität eignen sich für die Formulierungsentwicklung in Lebensmitteln und verwandten Anwendungen.

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