Dr. Andreas Knapp | HHU Düsseldorf | IMET - Molekulare Enzymtechnologie

Biotechnologische Toolbox für die Enzymproduktion

Bakteriell produzierte und sekretierte Enzyme sind aufgrund der einfachen Aufarbeitung für die industrielle Anwendung interessant und rentabel. Daher beschäftigt sich die Nachwuchsgruppe von Dr. Andreas Knapp mit den Grundlagen der Sekretionsprozesse, um hier gewonnene Erkenntnisse auf die biotechnologische Anwendung übertragen zu können. Die so erzielten Optimierungen dienen der Steigerung der Produktausbeute und damit einem ökonomischeren Einsatz von Mikroorganismen in der Biotechnologie.

In seiner Doktorarbeit, in der es um die Lipaseproduktion in Burkholderia glumae ging, beschäftigte sich Andreas Knapp bereits mit der bakteriellen Proteinsekretion in Gram-negativen Organismen. Nach seiner Promotion im April 2014 erweiterte er das Spektrum der untersuchten Modellorganismen und beschäftigte sich auch mit der Optimierung der Proteinsekretion im Gram-positivem Bakterium Bacillus subtilis.

Im Rahmen des BOOST Fund Projekts „BioBreak“, das von Andreas Knapp koordiniert wurde, gelang es, zwei bakterielle Sekretionssysteme (in Escherichia coli bzw. B. subtilis) zu optimieren – ein wichtiger Schritt hin zur Etablierung einer Plattform zur kostengünstigen bakteriellen Produktion von Biomasse-abbauenden Enzymen, um die biotechnologische Nutzung pflanzlicher Biomasse ökonomischer zu gestalten. Besonders spannend fand er an diesem Projekt, dass aufgrund des interdisziplinären Ansatzes in Zusammenarbeit mit der AG Schmitt und den Verfahrenstechnikern der AG Büchs und AG Spieß eine unmittelbare Beobachtung der Auswirkungen auf das bakterielle Wachstum oder die enzymatische Aktivität bei unterschiedlichen Biomasse-Zusammensetzungen ermöglicht wurde.

Seit 2015 baut Andreas Knapp seine Nachwuchsgruppe um das Thema heterologe Sekretion von Enzymen in Bakterien auf. Neben dem Gram-positiven Organismus B. subtilis wird seine Gruppe langfristig auch weiterhin Gram-negative Organismen wie B. glumae für die heterologe Proteinsekretion über verschiedene Transportwege untersuchen. Während sekretierte Proteine in Gram-positiven Bakterien nur eine Biomembran passieren müssen, erfolgt der Transport in Gram-negativen über zwei solcher Membranen, was komplexere Sekretionsapparate nötig macht. Dies ermöglicht jedoch auch komplexere Modifikationen des Zielproteins, etwa im Periplasma der Gram-negativen Bakterien, die für die Produktion aktiver Enzyme notwendig sein können. Durch die Wahl der Modellorganismen und Ausnutzung verschiedener Sekretionswege soll die Produktion vieler unterschiedlicher Proteine gewährleistet werden. Im Rahmen des Projektes BioBreak wurde dafür eine aktivitätsunabhängige Detektionsmethode für sekretierte Proteine etabliert, die eine Identifizierung der perfekten Kombination aus Organismus, Sekretionsweg und weiteren Proteinmodifikationen deutlich vereinfacht. Diese Methode ergänzt die „biotechnologische Toolbox“ mit dem Ziel, die Produktion zukünftig maßgeschneidert auf das jeweilige Zielenzym anpassen zu können.