F2

EnzymAgglo – Multiskalige modellgestützte Untersuchung der Formation von katalytisch aktiven Clustern und Agglomeraten großer Multienzymkomplexe


Figur 1: Visuelle Darstellung der Agglomerat-Bildung von Multi-Enzyme-Komplexen.

In der Biotechnologie und Bioprozesstechnik sind die Bildung von stabilen Enzym-Clustern und Agglomeraten für Bioreaktionen von höchstem Interesse [1]. Enzymatische Biokatalyse ermöglicht effiziente Reaktionswege, die essenziell sind für viele Prozesse in der Natur und Technik.

Bis heute ist die Bildung von katalytisch aktiven Enzym-Clustern und Agglomeraten, wenn auch bereits experimentell beobachtet [2], kaum verstanden. Es existiert kein Model, das in der Lage ist die Bildung und Stabilität von Enzym-Clustern und Agglomeraten vorherzusagen, sowie deren Einfluss auf die katalytische Gesamtleistung zu beschreiben. Das Verständnis dieser Prozesse ist jedoch entscheidend für die gezielte Modifikation und Optimierung von biokatalytischen Prozessen.

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und experimentelle Validierung eines multiskalen Models zur Beschreibung der Dynamik und Funktion von Multi-Enzym-Komplex-Clustern und Agglomeraten. Dafür werden verschiedene Modellierungsansätze von der Molekulardynamik (MD) [3-4] bis zur Diskreten-Elemente-Methode (DEM) [5-7] kombiniert um die großen Differenzen der Zeit- und Längenskalen zu überbrücken. Experimentelle Validierung wird erreicht durch die zell-basierte und zell-freie Untersuchung der Enzyme und ihrer Mutanten, sowie deren Charakterisierung, wie z.B. durch die Aktivität und Enzym-Enzym-Interaktion. Als Modellenzym wird der Pyruvate Dehydrogenase Komplex (PDC) verwendet. PDC besitzt eine einzigartige makromolekulare Struktur zur Bioenergieumwandlung, die Eigenschaften wie die gekoppelte mehrschritt Reaktionen, Kofaktor Regenerierung, gerichteter Substrat Austausch und den dynamischen Selbstzusammenbau zu großen katalytischen Clustern beinhaltet. Eine schematische Darstellung der Agglomeration von multi-Enzym-Komplexen ist in Figur 1 abgebildet.

Danksagungen

Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des SPP 1934 und bei allen weiteren Projektpartnern für die Zusammenarbeit.

Referenzen

  1. Castellana M., Wilson M.Z., Xu Y., Joshi P., Cristea I.M., Rabinowitz J.D., … & Wingreen N. S. (2014). Nature Biotechnology, 32(10), 1011-1018.
  2. Guo, J., Hezaveh, S., Tatur, J., Zeng, A. P., & Jandt, U. (2017). Biochemical Journal, 474(5), 865-875.
  3. Hezaveh S., Zeng A.P., Jandt U. (2016). J. Phys. Chem. B, 120(19), 4399-4409
  4. Hezaveh S., Zeng A.P., Jandt U. (2017). ACS Omega, 2(3), 1134-1145.
  5. Dosta M., Antonyuk S., Heinrich S. (2013). Industrial Engineering Chemistry Research, 52(33), 11275-11281.
  6. Spettl A., Dosta M., Antonyuk S., Heinrich S., Schmidt V. (2015). Adv. Powder Techn., 26(3), 1021-1030.
  7. Schnegas S., Antonyuk S., Heinrich S. (2015). Powder Techn., 237, 529-536.

Zuständige Institute:

Institut für Feststoffverfahrenstechnik und Partikeltechnologie
Technische Universität Hamburg
Denickestraße 15
21073 Hamburg
Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik
Technische Universität Hamburg
Denickestraße 15
21073 Hamburg
Position Name E-Mail Telefon
Projektleiter Prof. Stefan Heinrich stefan.heinrich@tuhh.de +49(0)40-428783750
Projektleiter Prof. Maksym Dosta dosta@tuhh.de +49(0)40-428783564
Projektbearbeiter Nicolas Depta nicolas.depta@tuhh.de +49(0)40-428782765
Projektleiter Prof. An-Ping Zeng aze@tuhh.de +49(0)40-428784183
Projektleiter Dr. Uwe Jandt uwe.jandt@tuhh.de +49(0)40-428782847
Projektbearbeiter Sibel Ilhan sibel.ilhan@tuhh.de +49(0)40-428782694

◄ Zurück zu Projekten