Neue Technologie optimiert Enzyme für die Industrie
Fraunhofer-Forschende planen Gründung eines Unternehmens
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Enzyme bieten der Industrie großes Potenzial, Herstellungsverfahren effizient zu gestalten und neue Produktionswege zu erschließen. Sie gezielt für solche Anwendungen zu optimieren, ist jedoch aufwendig. Fraunhofer-Forschende aus Potsdam entwickeln im Projekt ZenBio nun eine automatisierte Plattform, die diesen Prozess beschleunigen soll. Dafür verbinden sie zellfreie Proteinsynthese mit KI-gestütztem Enzymdesign. Zukünftig können Unternehmen damit geeignete Enzyme schneller und kostengünstiger entwickeln.
Enzyme sind für zahlreiche industrielle Prozesse von entscheidender Bedeutung. Als Biokatalysatoren spielen sie insbesondere bei der Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe, von Spezialchemikalien und Kosmetikinhaltsstoffen sowie in der Lebensmittelindustrie eine zentrale Rolle. Viele chemische Reaktionen verlaufen dank Enzymen unter milderen Bedingungen. Das spart Energie und macht bestehende Verfahren effizienter und umweltfreundlicher.
Mithilfe von Molekularbiologie, Gentechnik und Bioinformatik lassen sich Enzyme für industrielle Anwendungen optimieren: Gezielte Veränderungen am genetischen Bauplan der Enzyme beeinflussen deren Eigenschaften; so arbeiten Enzyme schneller, funktionieren auch unter anspruchsvollen Prozessbedingungen zuverlässig oder steuern chemische Reaktionen präziser. Moderne computergestützte Verfahren und Künstliche Intelligenz unterstützen diesen Entwicklungsprozess und helfen so dabei, geeignete Enzymvarianten schneller zu identifizieren.
Neue Wege im Enzymdesign
Die Entwicklung maßgeschneiderter Enzyme bleibt dennoch aufwendig: Die komplexen Zusammenhänge zwischen genetischer Sequenz, räumlicher Struktur und enzymatischer Funktion erschweren präzise Vorhersagen. Ein zentraler Engpass ist dabei der Mangel an experimentellen Daten über den Einfluss genetischer Veränderungen auf die Funktion der Enzyme.
Hier setzt das Projekt ZenBio an: Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zelltherapie und Immunologie, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB in Potsdam entwickeln eine automatisierte Plattform, die mithilfe zellfreier Proteinsynthese große Mengen solcher Sequenz-Funktionsdaten erzeugen und für ein KI-gestütztes Enzymdesign nutzbar machen soll. Das Team kann so in kürzerer Zeit Enzymvarianten herstellen, untersuchen und zu leistungsfähigen Biokatalysatoren für industrielle Anwendungen weiterentwickeln.
Das Projekt konzentriert sich dabei auf die besonderen Anforderungen industrieller Prozesse: »Enzyme sind von Natur aus an die Bedingungen ihres jeweiligen Organismus angepasst«, erklärt Simon Krebs, Biotechnologe am Fraunhofer IZI-BB. »Industrielle Prozesse stellen jedoch oft ganz andere Anforderungen: Enzyme müssen beispielsweise höheren Temperaturen, veränderten pH-Werten oder organischen Lösungsmitteln standhalten. Im Projekt ZenBio optimieren wir Enzyme gezielt für solche Anwendungen und erschließen damit neue Herstellungsverfahren, die mit konventioneller Chemie nur schwer umzusetzen sind.«
Zellfreie Proteinsynthese und KI beschleunigen Enzymdesign
»Die KI kann nur aus dem lernen, was experimentell gemessen wurde«, erklärt Benedikt Dechamps, Wirtschaftsingenieur am Fraunhofer IZI-BB. »Deshalb wollen wir möglichst viele Enzymvarianten herstellen und ihre Funktion untersuchen. Wir bauen damit systematisch eine Datenbasis auf, aus der die KI lernt und vielversprechende, neue Varianten vorschlägt.«
Die Besonderheit: Das Team setzt auf zellfreie Proteinsynthese, um möglichst viele Enzymvarianten in kurzer Zeit zu untersuchen. Dafür nutzen die Forschenden ein Extrakt aus Zellen, der alle wesentlichen Bestandteile für die Herstellung von Enzymen enthält. Gemeinsam mit dem genetischen Bauplan wird das gewünschte Enzym direkt im Extrakt hergestellt. Bei klassischen zellbasierten Verfahren dauert die Herstellung hingegen mehrere Tage, da Zellen zunächst kultiviert werden müssen, welche das Enzym produzieren. Hinzu kommt, dass einige Enzymvarianten in lebenden Zellen nur schwer hergestellt werden können oder nicht ihre funktionsfähige Form annehmen.
Da die Enzyme in einem Zellextrakt statt in lebenden Zellen hergestellt werden, können die Forschenden den Prozess miniaturisieren und die Reaktionsbedingungen gezielt einstellen: Auf einer Pipettierroboterstation sollen künftig bis zu 1500 unterschiedliche Varianten eines Enzyms parallel hergestellt und untersucht werden. Nach wenigen Stunden kann das Team testen, ob die jeweilige Enzymvariante bestimmten Faktoren wie Temperatur, pH-Wert oder einem Lösungsmittel standhält. Die gewonnenen Daten nutzt die im Projekt entwickelte KI-Plattform, um Zusammenhänge zwischen Sequenz und Eigenschaften zu erkennen und vielversprechende, neue Enzymvarianten vorzuschlagen.
»Jedes Experiment liefert uns neues Wissen für die nächste Designrunde«, erklärt Holly Corbett, KI-Expertin am Fraunhofer IZI-BB. »Wir entwickeln damit Enzyme Schritt für Schritt für industrielle Anwendungen – und leisten damit einen wichtigen Beitrag zu einer leistungsfähigen und nachhaltigen chemischen Industrie. Für mich ist das Ingenieurkunst auf molekularer Ebene.«
Die erste Phase des automatisierten Workflows hat das Team bereits umgesetzt. Nun soll die Plattform weiter miniaturisiert, automatisiert und anhand einer ersten Enzymklasse erprobt werden.
Fraunhofer-Forschende planen Gründung eines Unternehmens
Über AHEAD, ein Fraunhofer-Förderprogramm für Start-ups, lernten sich Krebs und Dechamps kennen, Corbett stieß später als Verantwortliche für die KI-Plattform zum Team. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des EXIST-Forschungstransfer-Programms. Die Förderung ebnet den Weg für das Team, die Plattform weiter auszubauen, zu automatisieren und anhand einer ersten Enzymklasse zu validieren. Darauf aufbauend sollen erste Pilotprojekte mit Industriekunden starten, zudem ist die Gründung des Spin-offs ProEvo geplant.
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