2023-06-252024-02-122023-06-25https://hdl.handle.net/11420/16347Im hier vorgestellten Projekt sollen Enzymsysteme für die kostengünstige Regeneration von ATP in technischen Reaktionssystemen entwickelt werden. Das Vorhaben ist als Gemeinschaftsprojekt der Arbeitsgruppen von Prof. Thomas Walther (Professur für Bioverfahrenstechnik, TU Dresden) und von Prof. Andreas Liese (Professur für Technische Biokatalyse, TU Hamburg) geplant, bei dem die AG Walther für Konzeption und Aufbau der ATP-regenerierenden Enzymkaskaden sowie für die Optimierung einzelner Enzymaktivitäten verantwortlich ist, und die AG Liese die reaktionstechnische Optimierung der Reaktionssysteme und deren Übertragung in größere Maßstäbe bearbeiten wird.ATP-regenerierende Reaktionssysteme haben eine Vielzahl von industriellen Anwendungsmöglichkeiten. Beispielhaft sollen hier die Synthese von phosphorylierten Feinchemikalien, Synthesen mit einer Phosphorylierung als Zwischenschritt sowie die zellfreie Proteinexpression genannt werden. Ein Haupthindernis bei der Überführung von ATP-abhängigen, zellfreien Produktsynthesen in den technischen Maßstab ist der teilweise sehr hohe Preis der für die ATP-Regeneration verwendeten Substrate und Cofaktoren.Um dieses technische Problem zu lösen, wird die Entwicklung von Reaktionssystemen vorgeschlagen, welche eine ATP-Regeneration aus der kostengünstigen und potenziell „grünen“ Basischemikalie Ethylenglykol ermöglichen. Für die Implementierung der konzipierten Enzymkaskaden ist die Steigerung einer Enzymaktivität auf einem nicht-natürlichen Substrat notwendig. Diese Aktivitätssteigerung soll durch eine Kombination von rationalem und evolutivem Proteindesign erreicht werden. Darüber hinaus wird durch eine reaktionstechnische Analyse und Optimierung die Übertragung der verschiedenen Systeme in den technischen Maßstab untersucht.Die Enzymkaskaden zur Regeneration von ATP sollen sowohl aus freien isolierten Enzymen aufgebaut werden, als auch in Ganzzellbiokatalysatoren implementiert werden. Die ATP-regenerierenden Systeme werden dabei jeweils an die Synthese einer ATP konsumierenden Reaktion zur Synthese eines phosphorylierten bzw. nicht-phosphorylierten Endprodukts gekoppelt, um Vorteile und Grenzen beider Auslegungsvarianten zu ermitteln. Die beschriebenen Reaktionskaskaden haben das Potential, zu einem neuen universellen ATP-Regenerierungssystem entwickelt zu werden, welches auch im technischen Maßstab nutzbar ist.In this project, enzyme systems for the cost-effective regeneration of ATP in technical reaction systems will be developed. The project is planned as a joint project of the working groups of Prof. Thomas Walther (Professorship of Bioprocess Engineering, TU Dresden) and of Prof. Andreas Liese (Chair of Technical Biocatalysis, TU Hamburg), where AG Walther is responsible for the design and construction of the ATP regenerating enzyme cascades as well as for the optimization of individual enzyme activities, and the AG Liese will work on the reaction engineering and optimization of the reaction systems as well as transfer to larger scales.ATP regenerating reaction systems have a variety of industrial applications. Examples include the synthesis of phosphorylated fine chemicals, syntheses with phosphorylation as an intermediate step and cell-free protein expression. A major obstacle to the commercialization of ATP-dependent, cell-free, product syntheses is the sometimes very high price of the substrates and cofactors used for ATP regeneration.To solve this technical problem, the development of reaction systems is proposed, which allow an ATP regeneration of the low-cost and potentially "green" bulk chemical ethylene glycol. The implementation of the designed enzyme cascades requires the enhancement of enzyme activity on a non-natural substrate. This increase in activity is to be achieved through a combination of rational and evolutionary protein design. In addition, a reaction-technical analysis and optimization of the transfer of the various systems on a technical scale is examined.The enzyme cascades for the regeneration of ATP will be constructed from isolated enzymes as well as be implemented in whole-cell biocatalysts. In each case, the ATP-regenerating systems are coupled to the synthesis of an ATP-consuming reaction for the synthesis of a phosphorylated or non-phosphorylated end product in order to determine advantages and limits of both design variants.The reaction cascades described have the potential to be developed into a new universal ATP regeneration system, which can also be used on an industrial scale.