Expression

Die Plattform ExpressO,  „Proteinexpression und Optimierung“ betreibt die Entwicklung und Anwendung innovativer und effizienter Expressionssysteme. Dabei werden neue  Vektoren und Wirtstämme etabliert, die die Überexpression, korrekte Faltung und effiziente Sekretion bisher nicht zugänglicher Proteine ermöglichen.

ExpressO – eine Plattform stellt sich vor.

Die Industrielle oder Weiße Biotechnologie beschäftigt sich mit der nachhaltigen Herstellung und Anwendung neuer Biokatalysatoren, Spezial- und Feinchemikalien sowie Werk- und Brennstoffen. Hierzu ist die Entwicklung und Anwendung innovativer und effizienter Expressionssysteme eine unabdingbare Voraussetzung. Aus diesem Grund wurde die Forschungsplattform „Proteinexpression und Optimierung“ (ExpressO) etabliert, die im Rahmen von BIO.NRW gefördert wird. Die Forschungsplattform ExpressO beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Vektoren und mikrobieller Wirtsstämme, die eine Überexpression, korrekte Faltung und effiziente Sekretion bisher nicht zugänglicher Proteine und Biokatalysatoren ermöglichen. Diese Systementwicklung geschieht in interdisziplinärer Zusammenarbeit von sechs Arbeitsgruppen aus der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und dem Forschungszentrum Jülich. Die Forschungsplattform ExpressO vereinigt international renommierte Forscher aus den Bereichen molekulare Mikrobiologie, Enzymdesign und Analytik, Hochdurchsatzscreening, (Parallel-) Fermentation in Miniatur- und Großvolumina sowie modernster Omics Technologien.

Kompetenzen bündeln – Netzwerke ausbauen.

Im Rahmen des Wettbewerbs BioIndustrie 2021 kam es in NRW zu einer Bündelung der Kernkompetenzen im Bereich Biotechnologie durch Gründung des Clusters für Industrielle Biotechnologie CLIB2021. Als essentielle Themenfelder innerhalb des Clusters wurden Polyomics, Expression, Biokatalyse und Aufarbeitung identifiziert, die an den Standorten Bielefeld, Düsseldorf, Jülich und Dortmund als Forschungsschwerpunkte vertreten sind. Für diese Schlüsseltechnologiebereiche wurden die Technologieplattformen PolyOmics, ExpressO, Biokatalyse und Downstream Processing etabliert, die gemeinsam mit CLIB2021 und dem CLIB-Graduiertencluster dazu beitragen, den Standort NRW im Bereich Industrielle Biotechnologie national führend und international sichtbar zu gestalten.

Ziele von ExpressO.

Die Forschungsplattform ExpressO evaluiert mikrobielle Standardexpressionssysteme, wie das Gram-negative Bakterium Escherichia coli und das Gram-positive Bakterium Bacillus subtilis und etabliert die neuen Wirtsstämme Corynebacterium glutamicum, Pseudomonas putida, Rhodobacter capsulatus und Candida utilis für die heterologe Expression unterschiedlicher industriell relevanter Enzyme. Mit diesen neuen mikrobiellen Expressionswirten, die eine große physiologische und biologische Diversität repräsentieren, ist innerhalb der Forschungsplattform ExpressO die komparative Untersuchung der Biosynthese verschiedener Proteine und Enzyme möglich. Umfassende Expressions- und Aktivitätsanalysen führen sowohl zur Identifikation individueller Engpässe und Lösungsstrategien für die Proteinproduktion, als auch zur Ermittlung der optimalen Kombination von Wirtsorganismus, Expressionsvektor, Kultivierungs- und Reaktionsbedingungen. Durch den Einsatz und die systematische Erweiterung einer sog. Chaperon-Toolbox und einer Signalpeptid-Bibliothek werden sowohl die Faltung als auch die Sekretion von Zielproteinen in den jeweiligen Expressionswirten optimiert.

Die ExpressO-Arbeitsgruppen.

In der Forschungsplattform ExpressO arbeiten Wissenschaftler aus sechs verschiedenen Arbeitsgruppen interdisziplinär zusammen (Abb. 1). 
Abb. 1: Organisation und Arbeitsgruppen der Forschungsplattform ExpressO.
 

Unter der Leitung von Prof. Dr. Roland Freudl (AG Bakterielle Proteinsekretion) wird im Institut für Bio- und Geowissenschaften (BG-1: Biotechnologie) des Forschungszentrums Jülich aus dem Bereich Systemische Mikrobiologie (Leitung Prof. Dr. Michael Bott) die Proteinsekretion bakterieller Standardexpressionswirte sowie neuartiger Expressionswirte bearbeitet. Aus dem Bereich Systembiotechnologie (Leitung Prof. Dr. Wolfgang Wiechert) arbeitet ein interdisziplinäres Team unter der Leitung von Dr. Marco Oldiges (AG Bioprozesse und Bioanalytik) an der Etablierung von Systemen zur (Parallel-) Fermentation neuer Expressionswirte in Miniatur- und Großvolumina, der minimal invasiven Echtzeitüberwachung und -analyse sowie der Metabolomanalytik dieser Systeme.

Aus dem Institut für Molekulare Enzymtechnologie (IMET, Leitung Prof. Dr. Karl-Erich Jaeger, Plattformkoordinator und stellv. Vorstandsvorsitzender von CLIB2021) der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf beteiligen sich zwei Arbeitsgruppen an der Forschungsplattform ExpressO. Die Arbeitsgruppe Bakterielle Photobiotechnologie unter der Leitung von Dr. Thomas Drepper etabliert neuartige Expressionssysteme für die Synthese komplexer Redoxproteine und Membranproteine basierend auf dem phototrophen Bakterium Rhodobacter capsulatus. Unter der Leitung von Dr. Susanne Wilhelm arbeiten Wissenschaftler in der Arbeitsgruppe Mikrobielle Expressionstechnologie an der Etablierung neuer Expressionssysteme basierend auf dem Bakterium Pseudomonas putida.

Im Institut für Bioorganische Chemie (IBOC, Leitung Prof. Dr. Jörg Pietruszka) der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf etablieren Wissenschaftler neue Hochdurchsatzanalyseverfahren für verschiedene Enzymaktivitäten und synthetisieren (Standard-) Enzymsubstrate für Screeningassays.

Durch die Expertise der Abteilung Molekulare Mykologie (Leitung Prof. Dr. Joachim Ernst) der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf erweitert die Forschungsplattform ExpressO ihr Portfolio neuer Expressionsstämme auch auf den Bereich eukaryotischer Systeme. Unter der Leitung von Dr. Denis Tielker wird die Hefe Candida utilis als neuartiger Expressionswirt für die Synthese industriell relevanter Proteine und Enzyme erschlossen.

Vernetzung zu den Partnerplattformen und dem CLIB-Graduiertencluster.

Mit den Partnerplattformen Biokatalyse, PolyOmics und Downstream Processing hat die Forschungsplattform ExpressO kompetente Partner, mit denen Plattform-übergreifende Probleme und Fragestellungen innovativ, schnell und interdisziplinär analysiert und gelöst werden können. Zur Förderung und Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses in NRW arbeitet die Forschungsplattform ExpressO außerdem eng mit dem CLIB-Graduiertencluster zusammen und ermöglicht so die interdisziplinäre, praxisnahe Ausbildung junger Wissenschaftler(innen) in NRW.

Neue Partnerschaften knüpfen – know how zur Anwendung bringen.

Obwohl ExpressO eine Technologieplattform für die Grundlagenforschung ist und keine Auftragsforschung betreibt, steht sie mit Vertretern von KMU und der Großindustrie in ständigem Dialog. Das Großunternehmen Henkel AG & Co. KGaA zählt genauso zu den assoziierten Partnern von ExpressO wie die KMU ARTES Biotechnology GmbHB.R.A.I.N. AG, evocatal GmbH, und Protagen AG. Darüber hinaus steht ExpressO jederzeit für neue, konstruktive Partnerschaften mit KMU und Großindustrie zur Verfügung, um das neu gewonnene Wissen zu erweitern, die akquirierte Expertise weiterzugeben und letztendlich neue Anwendungsmöglichkeiten für die Industrielle Biotechnologie zu generieren.

 


Kontakte

Kontaktadresse ExpressO

Dr. Achim Heck
Institut für Molekulare Enzymtechnologie
der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
im Forschungszentrum Jülich
52426 Jülich
expresso@fz-juelich.de

 

Plattformkoordinator ExpressO

Prof. Dr. Karl-Erich Jaeger
Institut für Molekulare Enzymtechnologie
der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
im Forschungszentrum Jülich
D-52426 Jülich
k.-e.jaeger@fz-juelich.de

 

AG Bakterielle Protein Sekretion

Prof. Dr. Roland Freudl
Institut für Bio- und Geowissenschaften 1
Forschungszentrum Jülich GmbH
D-52425 Jülich
r.freudl@fz-juelich.de

 

AG Bioprozesse & Bioanalytik

Dr. Marco Oldiges
Institut für Bio- und Geowissenschaften 1
Forschungszentrum Jülich GmbH
D-52425 Jülich
m.oldiges@fz-juelich.de

 

AG Bakterielle Photobiotechnologie

Dr. Thomas Drepper
Institut für Molekulare Enzymtechnologie
der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
im Forschungszentrum Jülich
D-52426 Jülich
t.drepper@fz-juelich.de

AG Mikrobielle Expressionstechnologie

Dr. Susanne Wilhelm
Institut für Molekulare Enzymtechnologie
der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
im Forschungszentrum Jülich
D-52426 Jülich
s.wilhelm@fz-juelich.de

 

Institut für Bioorganische Chemie

Prof. Dr. Jörg Pietruszka
Institut für Bioorganische Chemie
der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
im Forschungszentrum Jülich
D-52426 Jülich
j.pietruszka@fz-juelich.de

 

Abteilung Molekulare Mykologie

Dr. Denis Tielker
Abteilung für Molekulare Mykologie
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
D-40225 Düsseldorf
d.tielker@uni-duesseldorf.de

 

Assoziierte Partner der Plattform ExpressO

Henkel AG & Co. KGaA
Henkelstr. 67
D-40589 Düsseldorf
http://www.henkel.com/

 

ARTES Biotechnology GmbH
Elisabeth-Selbert-Str. 9
D-40764 Langenfeld
http://www.artes-biotechnology.com/

 

B.R.A.I.N. AG
Darmstädter Str. 34-36
D-64673 Zwingenberg
http://www.brain-biotech.de

evocatal GmbH
Merowingerplatz 1a
D-40225 Düsseldorf
http://www.evocatal.com/

 

Protagen AG
Otto-Hahn-Str. 15
D-44227 Dortmund
http://www.protagen.de/

 

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