Enzym-Engineering von De-novo Design

Anfrage

Creative Enzymes bietet umfassende Dienstleistungen im de novo-Enzymdesign an und kombiniert computergestütztes Proteindesign, molekulare Modellierung und biophysikalische Analytik, um Enzyme mit vollständig neuen Strukturen und katalytischen Funktionen zu konstruieren. Im Gegensatz zu konventionellen Engineering-Methoden, die bestehende Enzyme modifizieren, setzt das de novo-Design bei den ersten Prinzipien an – es werden Sequenzen entwickelt, die in die gewünschten Architekturen falten und definierte katalytische Rollen erfüllen. Unsere Plattform integriert Strukturvorhersage, Faltungssimulationen und Algorithmen zur Energieoptimierung und ermöglicht so das Design stabiler, funktioneller Biokatalysatoren für industrielle, pharmazeutische und wissenschaftliche Anwendungen.

Hintergrund: Wie De Novo-Enzymdesign funktioniert

De novo-Enzymdesign zählt zu den fortschrittlichsten Grenzbereichen des modernen Protein-Engineerings. Ziel dieses Ansatzes ist es, neue katalytische Proteine von Grund auf zu erzeugen – geleitet durch ein Verständnis chemischer Reaktivität, Thermodynamik und der Prinzipien der Proteinfaltung.

Im Gegensatz zu rationalem Design oder gerichteter Evolution, die natürliche Gerüste (Scaffolds) modifizieren, baut das de novo-Design maßgeschneiderte Protein-Backbones und neuartige aktive Zentren, die in der Natur nicht vorkommen. Durch die Nutzung von Erkenntnissen zu Sequenz‑Struktur‑Beziehungen, statistischen Kraftfeldern und quantenmechanischen Simulationen können Wissenschaftler heute vorhersagen, wie Aminosäuresequenzen falten und interagieren, um gewünschte Reaktionen zu katalysieren.

Die wesentlichen Schritte umfassen:

Erstellung eines Theozym: Computergestützte Modellierung eines minimalen, idealisierten aktiven Zentrums (des „Theozym“) mit so positionierten Aminosäureresten, dass der Übergangszustand der Reaktion stabilisiert wird.
Scaffold-Matching: Durchsuchen einer Datenbank von Proteinfaltungen, um ein „Scaffold“ zu finden, das das entworfene Theozym strukturell aufnehmen und unterstützen kann.
Computergestützte Optimierung: Einsatz leistungsfähiger Software (z. B. Rosetta), um die restliche Proteinsequenz um das Scaffold herum zu entwerfen und hinsichtlich Stabilität sowie präziser Positionierung der katalytischen Reste zu optimieren.
Experimentelle Prüfung: Synthese der Gene für die bestbewerteten computergestützten Designs, Expression der Proteine und Test auf die gewünschte katalytische Aktivität. Die meisten initialen Designs sind nicht erfolgreich, sodass iterative Optimierungen erforderlich sind.

Wesentliche Aspekte des de novo-Enzymdesigns sind Backbone-Sampling zur Exploration geeigneter Strukturrahmen, Scoring zur Bewertung von Stabilität und Kompatibilität, Sequenzoptimierung zur Verfeinerung der Aminosäurezusammensetzung sowie das Design funktioneller Zentren zur Anpassung von Katalyse oder Spezifität – zusammen ermöglichen sie die Entwicklung neuartiger Enzyme mit definierten Eigenschaften.

Key steps in de novo protein design, including backbone sampling, scoring, sequence optimization, and functional site design Abbildung 1. Zentrale Aspekte des de novo-Proteindesigns. (Pan und Kortemme, 2021)

Creative Enzymes nutzt diese hochmodernen computergestützten und experimentellen Strategien, um Enzyme zu designen, die unnatürliche Reaktionen katalysieren, unter extremen Bedingungen funktionieren oder eine höhere Effizienz als natürliche Gegenstücke erreichen. Diese bahnbrechende Fähigkeit eröffnet neue Möglichkeiten für Green Chemistry, therapeutische Entwicklung und fortschrittliche Materialsynthese.

Unser Angebot: De Novo-Enzymdesign

Creative Enzymes bietet einen One-Stop-Service für de novo-Enzymdesign, der computergestützte Vorhersagen mit experimenteller Validierung kombiniert. Unser Team aus Strukturbiologen und computergestützten Chemikern liefert maßgeschneiderte Lösungen für Projekte, die neuartige Enzym-Scaffolds, gezielt angepasste aktive Zentren oder neue katalytische Mechanismen erfordern.

Workflow der De Novo-Design-Services

Workflow diagram for de novo protein design services

# Erforderlich für die garantierten Pakete, jedoch optional für kundenspezifische Services.

Methoden für das De Novo-Enzymdesign

Bei Creative Enzymes integrieren unsere de novo-Enzymdesign-Services modernste computergestützte, biochemische und molekulare Display-Technologien, um Enzyme mit vollständig neuen katalytischen Funktionen zu erzeugen. Abhängig von Projektanforderungen und Zielsetzung setzen wir einen oder eine Kombination der folgenden Ansätze ein, um eine optimale strukturelle und funktionelle Performance sicherzustellen.

Methode	Details	Preis
Computergestütztes Design	Computergestütztes Design bildet die Grundlage des de novo-Enzym-Engineerings. Mithilfe fortgeschrittener molekularer Modellierung, Quantenmechanik/Molekularmechanik-(QM/MM)-Berechnungen und ML-gestützter Vorhersagetools simulieren wir Enzymfaltung, Substratbindung und katalytische Mechanismen aus ersten Prinzipien. Dieser Ansatz ermöglicht die Entwicklung neuartiger aktiver Zentren und eine präzise Kontrolle der strukturellen Architektur, was zu Enzymen mit vorhersagbarer Stabilität und maßgeschneiderter Reaktivität führt.	Angebot anfordern
Katalytische Antikörper (Abzyme)	Katalytische Antikörper – häufig als Abzyme bezeichnet – stellen einen biologisch inspirierten Ansatz zur Enzymentwicklung dar. Durch die Induktion von Antikörpern gegen stabile Übergangszustandsanaloga erzeugen wir Proteinkatalysatoren, die Enzymaktivität nachahmen. Diese Antikörper können anschließend weiterentwickelt werden, um katalytische Effizienz, Substratspezifität oder Umweltrobustheit zu erhöhen. Diese Methode ist besonders wertvoll für Reaktionen, die natürlicherweise nicht durch vorhandene Enzyme katalysiert werden.
mRNA-Display	mRNA-Display bietet eine leistungsstarke In-vitro-Selektionsplattform zur Identifizierung funktioneller Enzymvarianten aus Bibliotheken mit bis zu 10¹³ einzigartigen Sequenzen. Durch iterative Selektions- und Amplifikationsrunden werden Proteine mit gewünschten katalytischen oder Bindungseigenschaften angereichert und optimiert. Diese Methode ermöglicht die schnelle Evolution vollständig neuer Enzym-Scaffolds ohne vorherige Strukturinformationen und schlägt eine Brücke zwischen computergestützter Vorhersage und experimenteller Validierung.

Tabelle 1. Vergleich von Methoden zur de novo-Enzymerzeugung. (Golynskiy und Seelig, 2010)

Comparison of de novo enzyme-generation methods: computational design, catalytic antibodies, and mRNA display

Service-Highlights

Vorhersage der Enzymstruktur und Faltungssimulationen mittels modernster Molekulardynamik und KI-gestützter Modellierung.
Energetische und thermodynamische Analysen zur Bewertung konformationeller Stabilität und Reaktionsmachbarkeit.
De novo-Sequenzgenerierung auf Basis natürlicher statistischer Kraftfelder und Quantenmechanik/Molekularmechanik-(QM/MM)-Modelle.
Experimentelle Validierung und Charakterisierung, um sicherzustellen, dass die designten Enzyme die beabsichtigten katalytischen Ergebnisse erreichen.

Mit dieser integrierten Plattform liefert Creative Enzymes innovative, stabile und leistungsstarke Enzyme, die selbst anspruchsvollste Anwendungsanforderungen erfüllen.

Kontaktieren Sie unser Team

Warum eine Partnerschaft mit Creative Enzymes

Unbegrenzte Designflexibilität

Ermöglicht die Entwicklung vollständig neuer katalytischer Funktionen und Strukturrahmen jenseits natürlicher Enzymfähigkeiten.

Innovation ohne Template

Ohne Rückgriff auf bestehende Protein-Scaffolds – ermöglicht die vollständige Anpassung der Geometrie des aktiven Zentrums und des Reaktionsmechanismus.

Vorhersagbare Faltung und Funktion

KI-gestützte und energiebasierte Modellierung gewährleistet eine präzise Strukturvorhersage und Funktionsbewertung.

Erhöhte Stabilität und Effizienz

Designten Enzymen können Thermostabilität, Lösungsmitteltoleranz oder industrielle Robustheit gezielt optimiert werden.

Integration mit experimenteller Validierung

Durchgängiger Workflow vom computergestützten Design über Expression und Faltung bis zur biochemischen Charakterisierung.

Wissenschaftliche Expertenunterstützung

Unser multidisziplinäres Team vereint Expertise in Proteinbiophysik, computergestützter Chemie und Enzymologie für verlässliche Ergebnisse.

Case Studies: De Novo-Enzymdesign

Fall 1: De Novo-Design und Engineering nicht-ribosomaler Peptidsynthetasen

Nicht-ribosomale Peptidsynthetasen (NRPS) produzieren zahlreiche pharmakologisch relevante Verbindungen; ihre Modifikation zur Erzeugung neuartiger Peptide war jedoch aufgrund von Aktivitätsverlusten und niedrigen Ausbeuten schwierig. Eine neue Strategie führt definierte Austausch-Einheiten (XUs) ein – kleinere funktionelle Segmente, die Kondensations- und Adenylierungsdomänen verbinden – anstelle ganzer Module. Dadurch werden präzise Domänenaustausche ermöglicht, während die nachgelagerte Spezifität erhalten bleibt. Dieser Ansatz erlaubt eine vorhersagbare Generierung maßgeschneiderter Peptide bei verbesserter Produktionseffizienz. Zusätzlich bietet die Nutzung interner Kondensationsdomänen einen alternativen Mechanismus zur Freisetzung und Cyclisierung von Peptiden und erweitert damit das Potenzial für das Engineering komplexer zyklischer Peptidstrukturen mit gewünschten biologischen Eigenschaften.

De novo design and engineering of non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) Abbildung 2. Produktion neuartiger Peptide durch Einsatz interner C-Domänen als Terminationsdomänen. a, Schematische Darstellung von drei maßgeschneiderten NRPS mit unterschiedlichen Peptid-freisetzenden Domänen sowie Strukturen der Lipopeptide. I, TE-Domäne; II, T-Domäne; III, interne C/E-Domäne aus XU4 von GxpS. b, Schematische Darstellung einer maßgeschneiderten NRPS, die aus Bacillus-XUs designt wurde, sowie die Struktur des thiazolinhaltigen Peptids 22 unter Verwendung von XU6 aus SrfA-BC. Der Farbcode der als Bausteine verwendeten NRPS ist unten dargestellt. (Bozhüyük et al., 2018)

Fall 2: De Novo-Design und Evolution einer künstlichen Metathase für zytoplasmatische Olefinmetathese

Künstliche Metalloenzyme (ArMs) ermöglichen abiotische Katalyse in biologischen Systemen, stehen jedoch vor Herausforderungen bei der Auswahl geeigneter Scaffolds und der Integration von Kofaktoren. Eine neu entwickelte künstliche Metathase, die einen Ruthenium-(Ru1)-Kofaktor mit einem de novo-designten Tandem-Repeat-Protein (dnTRP) kombiniert, erreicht eine effiziente ring-schließende Olefinmetathese in lebenden Zellen. Durch computergestütztes Design und gerichtete Evolution wurden Varianten mit starker Kofaktorbindung (K_D ≤ 0,2 μM) und außergewöhnlicher katalytischer Leistung (TON ≥ 1.000) entwickelt. Das evolvierte Enzym Ru1·R5 zeigte eine über 40-fach erhöhte Aktivität gegenüber dem freien Kofaktor und funktionierte effektiv im Zytoplasma von E. coli. Dieser Durchbruch demonstriert die Leistungsfähigkeit der Kombination aus de novo-Design und Evolution zur Entwicklung biokompatibler, „new-to-nature“ katalytischer Systeme.

De novo design and evolution of an artificial metathase for cytoplasmic olefin metathesis Abbildung 3. Synergistisches Kofaktor- und Proteindesign. Modifikation des Olefinmetathese-Katalysators Hoveyda–Grubbs der zweiten Generation (Ru1) mit einer polaren Sulfamid-Ankergruppe und einem de novo-designten Protein als Bindungspartner. (Zou et al., 2025)

Häufige Fragen zum De Novo-Enzymdesign

F: Was ist der wesentliche Unterschied zwischen de novo-Enzymdesign und rationalem Design?

A: Rationales Design modifiziert bestehende natürliche Enzyme auf Basis struktureller Kenntnisse, während das de novo-Design vollständig neue Proteine aus ersten Prinzipien erzeugt. Dadurch entsteht größere Freiheit bei der Definition neuer katalytischer Funktionen und struktureller Architekturen.
F: Welche Reaktionstypen können mit de novo-Enzymdesign adressiert werden?

A: De novo-Design kann Enzyme sowohl für natürliche Reaktionen (Hydrolyse, Oxidation, Reduktion) als auch für unnatürliche Reaktionen (Kohlenstoff‑Kohlenstoff-Bindungsbildung, Polymerisation oder synthetische chemische Transformationen) generieren.
F: Wie stellen Sie sicher, dass das designte Enzym wie erwartet funktioniert?

A: Wir kombinieren computergestützte Energieberechnungen, KI-basierte Strukturvorhersage und In-vitro-Validierung durch Expression und Aktivitätsassays. Dadurch wird sichergestellt, dass jedes designte Enzym die prognostizierte katalytische Aktivität und Stabilität erreicht.
F: Welche Daten bzw. welchen Input sollten Kunden bereitstellen?

A: Kunden sollten Reaktionsdetails, Zielsubstrate oder -produkte, gewünschte Bedingungen sowie spezifische katalytische Zielsetzungen bereitstellen. Unsere Wissenschaftler nutzen diese Informationen, um ein geeignetes Enzym-Scaffold und ein katalytisches Zentrum zu designen.
F: Wie sieht der typische Projektzeitplan aus?

A: Ein vollständiges de novo-Design- und Validierungsprojekt dauert typischerweise 10–16 Wochen, abhängig von Reaktionskomplexität, Modellierungstiefe und erforderlicher experimenteller Verifizierung.
F: Kann de novo-Design mit gerichteter Evolution oder rationalem Design kombiniert werden?

A: Ja. Creative Enzymes kombiniert de novo-Modellierung häufig mit gerichteter Evolution oder rationaler Optimierung, um Aktivität, Selektivität oder Stabilität nach der initialen Designvalidierung weiter zu verbessern.

Literatur:

Bozhüyük KAJ, Fleischhacker F, Linck A, et al. De novo design and engineering of non-ribosomal peptide synthetases. Nature Chem. 2018;10(3):275-281. doi:10.1038/nchem.2890
Golynskiy MV, Seelig B. De novo enzymes: from computational design to mRNA display. Trends in Biotechnology. 2010;28(7):340-345. doi:10.1016/j.tibtech.2010.04.003
Kiss G, Röthlisberger D, Baker D, Houk KN. Evaluation and ranking of enzyme designs. Protein Science. 2010;19(9):1760-1773. doi:10.1002/pro.462
Kries H, Blomberg R, Hilvert D. De novo enzymes by computational design. Current Opinion in Chemical Biology. 2013;17(2):221-228. doi:10.1016/j.cbpa.2013.02.012
Pan X, Kortemme T. Recent advances in de novo protein design: Principles, methods, and applications. Journal of Biological Chemistry. 2021;296:100558. doi:10.1016/j.jbc.2021.100558
Zhu W, Liu Y, Cao H, Liu L, Tan T. Short-loop engineering strategy for enhancing enzyme thermal stability. iScience. 2025;28(4):112202. doi:10.1016/j.isci.2025.112202
Zou Z, Kalvet I, Lozhkin B, et al. De novo design and evolution of an artificial metathase for cytoplasmic olefin metathesis. Nat Catal. Online veröffentlicht am 3. November 2025:1-12. doi:10.1038/s41929-025-01436-0

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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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