Enzym-Engineering

Anfrage

Creative Enzymes bietet ein umfassendes Portfolio an Enzym-Engineering-Services, das darauf ausgerichtet ist, Enzymeigenschaften für industrielle, Forschungs- und therapeutische Anwendungen zu verbessern oder neu zu gestalten. Unter Einsatz fortschrittlicher Technologien wie gerichteter Evolution, rationalem Design und de novo-Design, ortsgerichteter und zufälliger Mutagenese, Phagen- und mRNA-Display sowie der Inkorporation nicht-natürlicher Aminosäuren passen wir die Enzymleistung gezielt an, um projektspezifische Zielvorgaben zu erfüllen.

Unsere Services ermöglichen Verbesserungen der katalytischen Aktivität, Substratspezifität, Stabilität, Löslichkeit und Enantioselektivität sowie die Entwicklung vollständig neuartiger katalytischer Funktionen. Mit einem multidisziplinären Team mit Expertise in Molekularbiologie, Strukturbiologie, Bioinformatik und Biophysik bietet Creative Enzymes skalierbare One-Stop-Lösungen – von in silico-Modellierung und Mutagenese-Design über experimentelle Validierung bis hin zur großskaligen Enzymproduktion.

Enzym-Engineering: Hintergrund und Überblick

Enzym-Engineering liegt an der Schnittstelle von Biotechnologie, Strukturbiologie und computergestütztem Design und verändert grundlegend, wie Enzyme in der Biokatalyse, der biopharmazeutischen Herstellung und der nachhaltigen chemischen Synthese eingesetzt werden.

Natürliche Enzyme sind unter industriellen oder therapeutischen Bedingungen häufig limitiert – etwa durch eine enge Substratspezifität, geringe Thermostabilität oder unzureichende Lösungsmittelverträglichkeit. Durch modernes Enzym-Engineering werden diese Herausforderungen systematisch adressiert, indem Enzymsequenzen und -strukturen gezielt modifiziert werden, um gewünschte Funktionen mit vorhersagbaren Ergebnissen zu erzielen.

Historisch begann Enzym-Engineering mit rationalen Ansätzen zur Modifikation bekannter aktiver Zentren. Einen entscheidenden Fortschritt brachte die Entwicklung der gerichteten Evolution – ausgezeichnet mit dem Nobelpreis für Chemie 2018 –, die die natürliche Evolution im Labor nachbildet, um optimierte Enzymvarianten zu generieren. Heute integriert Enzym-Engineering computergestützte Modellierung, Machine Learning, Quantenchemie und High-Throughput-Screening und ermöglicht damit eine bislang unerreichte Kontrolle über Enzymeigenschaften.

Diagram of enzyme engineering strategies for enhancing enzyme performance Abbildung 1. Mehrere Strategien des Protein-Engineerings haben die Leistungsfähigkeit von Enzymen signifikant verbessert. (Grigorakis et al., 2025)

Bei Creative Enzymes kombiniert unsere integrierte Enzym-Engineering-Plattform die Präzision des rationalen Designs mit der Diversität der gerichteten Evolution. Dadurch können Kunden optimierte Biokatalysatoren schneller, mit höheren Erfolgsraten und zu geringeren Kosten entwickeln.

Enzym-Engineering: Unser Leistungsangebot

Creative Enzymes bietet End-to-End-Enzym-Engineering-Services, die das gesamte Spektrum aktueller wissenschaftlicher und industrieller Anforderungen abdecken. Unabhängig davon, ob Ihr Projekt die Optimierung eines bestehenden Enzyms oder die Entwicklung eines vollständig neuen katalytischen Systems umfasst, gewährleisten unsere flexiblen Servicepakete belastbare Ergebnisse auf Basis datengetriebener Designs.

Service	Beschreibung	Anwendungen	Preis
Enzym-Engineering mittels gerichteter Evolution	Wir setzen error-prone PCR, DNA-Shuffling und Site-Saturation-Mutagenese ein, um große Mutantenbibliotheken mit diversen Enzymvarianten zu erzeugen. Durch High-Throughput-Screening und iterative Selektion identifizieren wir Mutanten mit überlegener Aktivität, Selektivität oder Stabilität. Unsere automatisierten Workflows ermöglichen die Erstellung und Testung von Bibliotheken mit mehr als 10¹² Varianten und beschleunigen Optimierungszyklen erheblich.	Steigerung der katalytischen Effizienz, Thermostabilität, Erweiterung des Substratspektrums und Verbesserung der Lösungsmittelverträglichkeit.	Anfrage
Enzym-Engineering mittels rationalem Design	Unser Service für rationales Design nutzt Strukturbiologie, Bioinformatik und molekulare Simulation, um auf Basis mechanistischer Erkenntnisse präzise Aminosäuresubstitutionen einzuführen. Mithilfe von Multiple-Sequence-Alignment, Molekulardynamik und Energieminimierung prognostizieren wir stabilisierende oder aktivitätssteigernde Mutationen, die mit minimalem experimentellem Screening implementiert werden können.	Veränderung der Substratspezifität, Erhöhung der Thermostabilität und Feinabstimmung der Enzymkinetik.
*Enzym-Engineering mittels De-novo-Design*	Im Rahmen des de novo-Designs konstruiert Creative Enzymes vollständig neue Enzyme mit maßgeschneiderten katalytischen Funktionen oder Faltungen, die in der Natur nicht vorkommen. Durch Kombination von computergestütztem Proteindesign, Energieoptimierungsalgorithmen und Machine-Learning-Modellen entwerfen wir aktive Zentren, Faltungsgerüste und Bindungstaschen von Grund auf. Die experimentelle Validierung stellt sicher, dass die vorhergesagten Enzyme korrekt falten und die beabsichtigten Reaktionen ausführen.	Design von Enzymen für neuartige Reaktionen, nicht-natürliche Substrate oder künstliche Stoffwechselwege.
Enzym-Engineering mittels ortsgerichteter Mutagenese	Mittels präziser genetischer Modifikation führt unser Service für ortsgerichtete Mutagenese definierte Mutationen an spezifischen Resten ein, um Struktur-Funktions-Beziehungen zu untersuchen oder die Enzymleistung zu verbessern. Wir verwenden QuikChange-ähnliche PCR, Kassettenmutagenese und Recombineering-Ansätze für Einzelstellen- oder Mehrstellenmutationen.	Zielgerichtete Optimierung katalytischer Reste, Feinjustierung des aktiven Zentrums oder mechanistische Aufklärung.
Enzym-Engineering mittels zufälliger Mutagenese und DNA-Shuffling	Wenn Sequenz-Struktur-Beziehungen nicht ausreichend charakterisiert sind, bietet zufällige Mutagenese eine leistungsfähige Explorationsstrategie. Wir führen Mutationen stochastisch über das gesamte Gen ein und rekombinieren Fragmente mittels DNA-Shuffling, um hochdiverse chimäre Bibliotheken zu erzeugen. Nachfolgendes Screening identifiziert neuartige Varianten mit emergenten, vorteilhaften Eigenschaften.	Entdeckung vollständig neuer katalytischer Funktionen und Optimierung unzureichend charakterisierter Enzyme.
Phagen-Display und mRNA-Display für Enzym-Engineering	Diese in vitro-Display-Systeme ermöglichen die Selektion von Enzymvarianten mit gewünschten Bindungs- oder katalytischen Eigenschaften aus sehr großen Bibliotheken. Beim Phagen-Display wird der Phänotyp mit dem Genotyp auf der Oberfläche von Bakteriophagen verknüpft, während mRNA-Display das Screening von Bibliotheken mit bis zu 10¹³ Varianten in einer zellfreien Umgebung erlaubt. Diese Methoden sind besonders geeignet für Affinitätsoptimierung und Studien zu Enzym-Substrat-Interaktionen.	Verbesserung der Substrataffinität, Evolution von Bindungsproteinen und Screening von Enzymgerüsten für die Biokatalyse.
Inkorporation nicht-natürlicher Aminosäuren	Durch Erweiterung des genetischen Codes ermöglicht Creative Enzymes die ortsspezifische Inkorporation nicht-natürlicher Aminosäuren in Enzyme. Dadurch können nicht-kanonische funktionelle Gruppen, reaktive Moieties oder spektroskopische Sonden für mechanistische Analysen und erhöhte Stabilität eingeführt werden.	Einführung katalytischer Metallzentren, Erhöhung der Enzymrigidität oder Ermöglichung photoschaltbarer bzw. chemisch responsiver Aktivität.

Service-Workflow

Creative Enzymes' enzyme engineering service workflow illustration

Service-Details

Creative Enzymes bietet vollständig maßgeschneiderte Lösungen – von Einzelstellen-Mutationsstudien bis hin zu groß angelegten Projekten zur gerichteten Evolution. Unsere Services umfassen:

Computational Enzyme Design: Homologiemodellierung, QM/MM-Simulationen und KI-gestützte Strukturvorhersage.
Mutagenese-Plattformen: Ortsgerichtete, zufällige oder kombinatorische Mutagenese mit hoher Genauigkeit.
Bibliothekskonstruktion & Screening: Screening von bis zu 10¹² Varianten pro Projekt mittels Fluoreszenz-, Absorptions- oder aktivitätsbasierter Assays.
Expressionssysteme: Expertise in E. coli-, Hefe-, Insekten- und Säuger-Systemen, mit skalierbarer Expression und Aufreinigung.
Charakterisierung & Validierung: Strukturbestimmung (Röntgen, Kryo-EM), kinetische Assays und Stabilitätstests unter industriellen Bedingungen.
Reporting & Technologietransfer: Vollständige Dokumentation, Datenanalyse und IP-konforme Projektübergabe.

Unser Prozess ist auf Flexibilität und Skalierbarkeit ausgelegt und stellt die Kompatibilität sowohl mit frühen Discovery-Phasen als auch mit Anforderungen der industriellen Produktion sicher.

Kontaktieren Sie unser Team

Warum eine Partnerschaft mit Creative Enzymes

Umfassende technische Expertise

Unser multidisziplinäres Team vereint Expertise in Strukturbiologie, Enzymologie und computergestützter Biochemie und gewährleistet rational geführte, wissenschaftlich fundierte Enzymdesigns.

Integrierte Technologieplattform

Durch die Integration von computergestützter Modellierung, High-Throughput-Screening und experimenteller Evolution bieten wir End-to-End-Lösungen – vom Konzept bis zum optimierten Enzym.

Individualisierung & Flexibilität

Jedes Projekt wird auf die Ziele des Kunden zugeschnitten, mit anpassbaren Workflows für spezifische Enzyme, Substrate oder Prozessbedingungen.

Hohe Erfolgsquote & Effizienz

Die kombinierte Anwendung rationaler und evolutiver Methoden reduziert Trial-and-Error deutlich, verkürzt Projektlaufzeiten und erhöht die Erfolgswahrscheinlichkeit.

Skalierbare & industrienahe Lösungen

Von der Validierung im Labormaßstab bis zur Enzymproduktion im industriellen Maßstab sind unsere Lösungen auf Skalierbarkeit und regulatorische Compliance ausgerichtet.

Nachweisliche Erfolgsbilanz

Weltweit von Pharma-, Biotech- und Chemieunternehmen geschätzt, hat Creative Enzymes bereits Hunderte von Enzymen erfolgreich engineered und dokumentierte Leistungsverbesserungen geliefert.

Praxisbeispiele für Enzym-Engineering

Fall 1: Rationales Engineering einer β-Aminosäure-Dehydrogenase für effiziente asymmetrische Synthese

Diese Studie berichtet über die strukturelle und mechanistische Aufklärung der L-erythro-3,5-Diaminohexanoat-Dehydrogenase, der einzigen bekannten β-Aminosäure-Dehydrogenase (β-AADH). Durch Kristallstrukturbestimmung, ortsgerichtete Mutagenese und quantenchemische Analysen identifizierten Forschende zentrale Unterschiede zwischen β- und α-AADHs hinsichtlich Substratbindung und Katalyse. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurden mehrere rational engineered Varianten entwickelt, die Aktivitätssteigerungen um den Faktor 110–800 gegenüber verschiedenen β-Aminosäuren zeigten, ohne Einbußen bei der Enantioselektivität. Mit den besten Varianten wurden zwei β-Aminosäuren mit >99 % ee und 86–87 % Ausbeute synthetisiert, was einen robusten Rahmen für zukünftiges β-AADH-Engineering und die asymmetrische β-Aminosäure-Synthese liefert.

Crystal structures and catalytic mechanism of L-erythro-3,5-diaminohexanoate dehydrogenase for rational β-amino acid synthesis Abbildung 2. Substratbindung und katalytischer Mechanismus der L-erythro-3,5-Diaminohexanoat-Dehydrogenase, des einzigen bekannten Mitglieds der β-Aminosäure-Dehydrogenase-Familie, unterscheiden sich deutlich von denen ihrer α-Gegenstücke. Nachfolgendes rationales Engineering erweiterte das Substratspektrum ohne Reduktion der Enantioselektivität und ermöglichte eine effiziente asymmetrische Synthese von β-Aminosäuren. (Liu et al., 2021)

Fall 2: Steigerung der Aktivität eines natürlichen Enzyms durch Inkorporation nicht-natürlicher Aminosäuren

Bakterielle Phosphotriesterasen hydrolysieren Paraoxon effizient und galten als evolutionär optimiert. Der Austausch von Tyrosin an Position 309 durch nicht-natürliche Aminosäuren – L-(7-Hydroxycumarin-4-yl)ethylglycin (Hco) und L-(7-Methylcumarin-4-yl)ethylglycin – führte jedoch zu bemerkenswerten katalytischen Verbesserungen. Kinetische Analysen zeigten, dass die deprotonierte 7-Hydroxylgruppe von Hco eine schnellere Produktfreisetzung durch elektrostatische Abstoßung mit dem negativ geladenen Produkt begünstigte. Diese einzelne, rational designte Substitution ergab eine 8–11-fache Steigerung des katalytischen Umsatzes und übertraf damit das, was durch umfangreiche Mutagenese mit natürlichen Aminosäuren erreichbar war. Die Studie verdeutlicht, wie Designer-Aminosäuren neue funktionelle und strukturelle Möglichkeiten im Enzym-Engineering eröffnen.

Enzyme activity improvement of bacterial phosphotriesterases using unnatural amino acids at position Y309 Abbildung 3. Potenzielle Rotamere (ohne sterische Kollisionen mit anderen Aminosäureseitenketten oder dem Substrat) von Hco309 relativ zum Substrat Diethyl-methoxyphenylphosphat und Tyr309 im Wildtyp-Protein, basierend auf der Kristallstruktur des Enzym-Substrat-Komplexes (PDB-Zugriffscode 2R1N). (Ugwumba et al., 2011)

Enzym-Engineering: Häufig gestellte Fragen

F: Was sind die wichtigsten Vorteile von Enzym-Engineering im Vergleich zur Nutzung natürlicher Enzyme?

A: Engineered Enzyme bieten eine überlegene Performance, einschließlich erhöhter katalytischer Aktivität, Stabilität und Substratflexibilität. Sie können unter extremen industriellen Bedingungen funktionieren und Reaktionen katalysieren, die über die Fähigkeiten natürlicher Enzyme hinausgehen.
F: Wie entscheide ich zwischen gerichteter Evolution und rationalem Design?

A: Rationales Design ist ideal, wenn detaillierte Strukturinformationen vorliegen und zielgerichtete Mutationen ermöglichen. Gerichtete Evolution ist vorzuziehen, um Sequenzdiversität ohne vorherige Strukturdaten zu explorieren. Viele Projekte kombinieren beide Ansätze für optimale Ergebnisse.
F: Welche Informationen müssen Kunden vor Projektstart bereitstellen?

A: In der Regel benötigen wir die Zielenzymsequenz, Substratdetails, gewünschte Modifikationen bzw. Zielparameter sowie vorhandene Struktur- oder biochemische Daten. Falls diese nicht verfügbar sind, können wir initiale bioinformatische Analysen und Homologiemodellierungen durchführen.
F: Können Sie großskalige Bibliothekskonstruktion und Screening abdecken?

A: Ja. Unsere automatisierten Plattformen für gerichtete Evolution unterstützen Bibliotheken mit bis zu 10¹² Varianten sowie High-Throughput-Screening mittels spektrophotometrischer, fluoreszenzbasierter oder chromatographischer Assays.
F: Wie werden Projektlaufzeiten festgelegt?

A: Die Zeitplanung hängt von der Projektkomplexität, der Bibliotheksgröße und dem erforderlichen Validierungsumfang ab. Standardprojekte zur Enzymoptimierung dauern typischerweise 8–12 Wochen, während de novo-Design-Projekte 16–24 Wochen erfordern können.
F: Sind Rechte am geistigen Eigentum (IP) geschützt?

A: Selbstverständlich. Creative Enzymes gewährleistet strikte Vertraulichkeit und IP-Schutz für alle Kundenprojekte. Sämtliche Designs, Daten und Materialien verbleiben – sofern nicht anders vereinbart – im Eigentum des Kunden.
F: Bieten Sie Expressions- und Aufreinigungsservices für engineered Enzyme an?

A: Ja. Wir bieten umfassende Downstream-Unterstützung, einschließlich Expressionsoptimierung, Aufreinigung, Stabilitätstests und Scale-up-Produktion für Forschungs- und Industrieanwendungen.
F: Welche Branchen profitieren am meisten von Enzym-Engineering?

A: Unsere Enzym-Engineering-Services adressieren die biopharmazeutische, chemische, landwirtschaftliche, Lebensmittel- und Umweltbranche sowie Forschungseinrichtungen, die neuartige katalytische Anwendungen verfolgen.

Literatur:

Grigorakis K, Ferousi C, Topakas E. Protein engineering for industrial biocatalysis: principles, approaches, and lessons from engineered PETases. Catalysts. 2025;15(2):147. doi:10.3390/catal15020147
Liu N, Wu L, Feng J, et al. Crystal Structures and Catalytic Mechanism of L-erythro-3,5-Diaminohexanoate Dehydrogenase and Rational Engineering for Asymmetric Synthesis of β-Amino Acids. Angew Chem Int Ed. 2021;60(18):10203-10210. doi:10.1002/anie.202017225
Ugwumba IN, Ozawa K, Xu ZQ, et al. Improving a natural enzyme activity through incorporation of unnatural amino acids. J Am Chem Soc. 2011;133(2):326-333. doi:10.1021/ja106416g

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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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