Neue Suchmaschine für Enzymfunktionen - Verborgene Möglichkeiten der Natur für industrielle Anwendungen

  • Abb. 1: Dreidimensionale Darstellung einer Suchanfrage an das Catalophor-System. Die Berechnungen werden auf Hochleistungsrechnern durchgeführt.Abb. 1: Dreidimensionale Darstellung einer Suchanfrage an das Catalophor-System. Die Berechnungen werden auf Hochleistungsrechnern durchgeführt.
  • Abb. 1: Dreidimensionale Darstellung einer Suchanfrage an das Catalophor-System. Die Berechnungen werden auf Hochleistungsrechnern durchgeführt.
  • Abb. 2: Vergleich der Gesamtstruktur und Anordnung essentieller Gruppen im aktiven Zentrum in bekannten Old-Yellow-Enzymes (links) und in den mit Hilfe der Catalophor-Suche identifizierten neuen Reduktasen (rechts).
  • Abb. 3: Mitarbeiter von innoPhore suchen unter anderem nach neuen Enzymen für Enzymersatztherapien.

Wofür braucht man Enzyme? Enzyme sind Eiweißstoffe, die wichtige Funktionen im Stoffwechsel aller Organismen übernehmen und biochemische Reaktionen auslösen – die allgegenwärtigen Nanomaschinen der Natur. In biologischen Zellen beschleunigen und dirigieren sie chemische Reaktionen, ohne die keine Stoffwechselprozesse des Lebens ablaufen könnten. Enzyme gewinnen auch als wichtige, umweltfreundliche Bestandteile industrieller Verfahren der pharmazeutischen und chemischen Industrie immer mehr an Bedeutung zur Herstellung wichtiger Medikamente und Chemikalien. In der Medizin werden Enzyme häufig als Therapeutika eingesetzt, um im Körper fehlende bzw. nicht funktionierende Katalysatoren zu ersetzen und dadurch die Auswirkungen von Stoffwechselstörungen zu mildern. Die Suche nach industriell oder medizinisch benötigten Enzym-Funktionen ist extrem aufwändig, teuer und mit vielen Einschränkungen versehen.

Die „Catalophor“-Technologie

Die Strukturbiologie-Arbeitsgruppe um Prof. Karl Gruber der Universität Graz hat in Kooperation mit dem acib (Austrian Centre of Industrial Biotechnology) das „Catalophor-System“ entwickelt, eine Kombination aus Datenbank und Suchmaschine, das gesuchte Enzymfunktionen aus zehntausenden Strukturdaten herausfiltert und katalytische Fähigkeiten aufspüren kann, die zuvor noch nicht beschrieben wurden. Die Vorgehensweise ähnelt einer Google-Suche, wie sie jeder immer wieder macht, auch wenn die Eingabe der Daten etwas aufwändiger ist. Am Anfang steht die Fragestellung nach einer gesuchten Enzymfunktion wobei das aktive Zentrum des Enzyms im Fokus steht. Hierzu wird ein für die jeweilige Aufgabe zugeschnittenes Suchanfrage- Programm geschrieben in dem die Positionen und Abstände von wichtigen Aminosäuren ebenso vorgegeben werden wie wichtige Strukturmerkmale in der Umgebung des aktiven Zentrums. (Abb. 1). Auf Basis dieses Programmes durchforstet das Catalophor-System rund 100.000 Datenbankeinträge nach Ähnlichkeiten und gibt eine Liste möglicher Kandidaten aus, die die Forscher auf Basis ihres enzymologischen Wissens verifizieren. Im nächsten Schritt werden die vielversprechendsten Kandidaten biotechnologisch hergestellt und im Labor experimentell geprüft.

Die Vorarbeit am Computer erspart dabei unzählige teure und langwierige Experimente und Screenings nach Enzymfunktionalitäten. Die Suche stellt jedoch enorme Anforderungen an die Rechnerleistung, sind doch Enzymstrukturen hoch komplex: Für die Berechnungen haben die Forscher einen Computer-Cluster mit mehr als 400 Prozessorkernen aufgebaut. Dieser enthält auch die Datenbank, die laufend erweitert wird. Das System erweitert sich selbstständig und durchsucht öffentlich zugängliche Datenbanken nach neuen Enzymstrukturen. Pro Woche kommen so rund 150 Strukturen hinzu. Außerdem wird das gesamte System weiter entwickelt, um noch komplexere Suchanfragen beantworten zu können. Das Verfahren vereint eine bioinformatische Leistung – das Schaffen der Datenbank samt Suchmaschine – mit einer wissenschaftlichen – die Ableitung der Suchanfrage aus komplizierten enzymatischen Reaktionsmechanismen.

Hoher wissenschaftlicher Wert und praktischer Nutzen

Das Catalophor-System hat einen hohen praktischen Nutzen für Wissenschaft und Industrie. Man kann damit zum Beispiel auf Basis der Proteinstruktur neue Reaktionsmöglichkeiten in Enzymen entdecken, die bisher noch nicht beschrieben wurden und die in der chemischen Industrie neue Reaktionswege möglich machen. Die Chance, herkömmliche industrielle Syntheseverfahren durch umweltfreundliche, enzymatische Methoden zu ersetzen, steigt.
Gerade chirale Moleküle sind besonders wichtig für die chemische Industrie. Diese kommen in zwei extrem ähnlichen Formen vor – als Bild und als Spiegelbild. Beide wirken biologisch meistens extrem unterschiedlich. Das Catalophor-System kann sowohl neue Enzyme aufspüren, die beide Varianten in ihrer reinen Form zugänglich machen, als auch Alternativen zu patentierten Enzymen anbieten. In einem ersten Test der Methode konnten zwei neue Enzyme identifiziert werden, die eine ähnliche Anordnung funktioneller Gruppen im aktiven Zentrum aufweisen wie die bereits sehr gut untersuchten „Old Yellow Enzymes“ (OYE). Tatsächlich katalysierten diese beiden Enzyme wie vorhergesagt die enantioselektive Reduktion von aktivierten Alkenen. Die Reduktion von C=C-Doppelbindungen ist eine Schlüsselreaktion bei der Synthese vieler chiraler Bausteine für die Pharmaindustrie, wie z.B. Terpenoide, Aminosäurederivate oder Duftstoffe, mit weltweiten Umsätzen von mehreren Milliarden US$. Die Tatsache, dass die beiden Enzyme diese Reaktion katalysieren, ist umso erstaunlicher, da die Faltung dieser Proteine und die Aminosäure-Sequenzen absolut keine Ähnlichkeiten zu den bekannten OYEs aufwiesen (Abb. 2). Eingehende kristallographische, biokatalytische und biochemische Analysen bestätigten, dass sich die neu identifizierten Enzyme trotz der großen Unterschiede in vieler Hinsicht gleich verhalten wie “klassische” OYEs. Die beiden Enzyme zeigten jedoch – wie aufgrund der Struktur auch vorhergesagt – eine inverse Stereospezifität im Vergleich zu den bekannten Katalysatoren. Dadurch können sie für die Synthese von Produkten mit entgegengesetzter Absolutkonfiguration eingesetzt werden. Diese erste erfolgreiche Anwendung wurde 2014 in einem der renommiertesten, wissenschaftlichen Fachjournalen „Nature communications“ veröffentlicht. Die Österreichische Gesellschaft für Molekulare Biowissenschaften und Biotechnologie hat das Catalophor System mit dem VWR Forschungspreis 2014 für ausgezeichnete Leistungen in der Biotechnologie bzw. der anwendungsorientierten, molekularen Biowissenschaften prämiert. Auf der „CPhI worldwide 2014“, der weltweit größten Pharmamesse der Industrie in Paris, wurde das Catalophor-System mit dem „Global innovation award in process development“ ausgezeichnet.

Anwendung in der Industrie – mit Innovation eine Nasenlänge voraus

Enzymatische Prozesse sind in einem globalen Markt mit einer auf 300 Milliarden US Dollar pro Jahr geschätzten Größe eingebettet, welcher sich stark in Entwicklung befindet. Seit dem Jahr 2000 wurden mehr als 100 verschiedene biokatalytische Prozesse in unterschiedlichen Industriesparten (Pharma-, Chemie-, Agrar-, Generika- und Lebensmittelindustrie) etabliert. Die mit dem Catalophor-Ansatz identifizierten Enzyme können sich signifikant von den derzeit eingesetzten Enzymen unterscheiden und besitzen daher potentiell andere Eigenschaften, obwohl sie dieselbe Reaktion katalysieren bzw. dieselbe Aufgabe in der Therapie erfüllen. Dies ermöglicht es auch bestehende Prozesse zu verbessern oder Produkte mit anderen Eigenschaften oder wirtschaftlichere Herstellungsverfahren anzubieten. Durch die Suche nach diesen Enzymen können teure und umweltschädliche chemische Prozesse zur Herstellung von Feinchemikalien und Medikamenten ersetzt werden. Enzymatische Reaktionen laufen in der Regel in wässriger Lösung und bei niedrigen Temperaturen ab, was die Etablierung von „grünen“ und nachhaltigen Verfahren mit weniger Nebenprodukten und einem weit geringeren Energieaufwand erlaubt. Der Ersatz von chemischen Verfahren durch biokatalytische hat daher einen erheblichen Einfluss auf die Umwelt und die Gesellschaft.

Anwendung in der Medizin – Günstige Therapeutika mit neuen Enzymen

Bei medizinischen Anwendungen, vor allem bei der sogenannten Enzyme Replacement Therapy (ERT), müssen sehr schwierig zu produzierende und daher sehr teure humane Enzyme eingesetzt werden. Viele dieser Erkrankungen sind sogenannte „Rare-Diseases“, also Krankheiten an denen weltweit nur „einige hunderttausend Menschen leiden“. Herkömmliche Therapeutika sind teuer, neue Entwicklungen auf diesem Sektor geschehen nur langsam, wodurch ganze Kontinente damit unterversorgt sind. Die Catalophor-Methode hat auch hier das Potential, alternative Enzyme mit derselben Aktivität zu identifizieren, die aber einfacher und in größeren Mengen herstellbar sind, was die Kosten für diese Therapien stark reduzieren würde. Neue günstige Alternativen sind besonders medizinisch-sozial von Bedeutung.

Spin-Off „innoPhore – carrier of innovation“

Dieses als Forschungsprojekt des acib und der Universität Graz gestartete „Enzym-Google“ Projekt entwickelt sich jetzt weiter: Das von beiden Partnern ausgegründete Spin-off „innoPhore“ widmet sich als Biotech Start-Up der Vermarktung dieser patentierten Technologie. Erklärtes Ziel der Forscher und Firmengründer Christian Gruber, Karl Gruber und Georg Steinkellner ist es, diese neuartige Methode am Markt zu etablieren um enzymatische Aktivitäten aufgrund der dreidimensionalen Struktur von Proteinen zu identifizieren und vorherzusagen. Damit soll es möglich werden, sowohl neue wertvolle Enzyme für die industrielle Biokatalyse als auch dringend gebrauchte, alternative Enzyme für medizinische Anwendungen aufzuspüren. Als vom Science Park Graz unterstütztes Unternehmen wird innoPhore Alternativen zu bestehenden Enzymen entwickeln und bestehende Verfahren optimieren. Der konkrete Wettbewerbsvorteil für zukünftige Kunden ist ein uneingeschränkter „Freedom to Operate“ mit den von innoPhore bereitgestellten Enzymen. In diesen hochregulierten Märkten ermöglicht innoPhore damit, dass zukünftigen Kunden wirtschaftlichere, komplementäre Prozesse in ihren eigenen Werken aufbauen können, auch wenn die am Markt etablierten Enzyme patentrechtlich geschützt sind. Weiters wird sich innoPhore mit einer eigenen R&D Abteilung der Entwicklung neuer Enzymtherapeutika widmen (Abbildung 3).

Autoren
Dr. Christian C. Gruber, Dr. Georg Steinkellner, Prof. Dr. Karl Gruber

Zugehörigkeit
ACIB Austrian Centre of Instustrial Biotechnology, Graz, Austria

Kontakt
Dr. Georg Steinkellner

Enzyme Development and Analytics
ACIB Austriab Centre of Industrial Biotechnology
IMB Institute of Molecular Biosciences
Graz, Österreich

Kontaktieren

ACIBB Austrian Centre of Industrial Biotechnology
Humboldstr. 50 III/186
8010 Graz
Österreich

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