Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

1

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Utvikling av (industrielle) enzymer

Vincent Eijsink

UMB, snart NMBU – Institutt for Kjemi, Bioteknologi og Matvitenskap

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

2

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Enzymers fortreffelighet

Katalyserer kjemiske reaksjoner under naturlige betingelser.

Er meget presise; ingen bi-produkter.

Ingen behov for bruk av forurensende kjemikalier, lave energibehov.

Kan katalysere prosesser som vi ikke har kjemisk teknologi til.

Det finnes mange.

FnIII

CBM5

Cat

FnIII

Cat

Cat CBM12

A B ”C” (Cat domain)

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

3

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Begrensning 1 - Industrielle krav til et enzym

Lett å produsere i store nok mengder *

Tilstrekkelig stabil og aktiv under prosessbetingelser *

Bred anvendbarhet

Billig

* Essensiell og overhode ikke noe selvfølge

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

4

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Begrensning 2 - Komplekse substrater krever komplekse enzymblandinger

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

5

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Potensialet er allikevel stor

S-Y Ding et al., Science, 2012, 338:1055-1060

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

6

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Å utvikle industrielle enzymer↓ WP1 – Finne kandidater

(”bioprospektering”)

↓ WP2 – Uttrykke/produsere kandidater

↓ WP3 – Karakterisere kandidater

↓ WP4 – Forbedre (”engineere”) kandidater

For enzymeprodusenten: Industrialisere produksjonsprosessen og formulere produktet

For brukere: Prosessutvikling (WP5-7)

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

7

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Bioprospektering

Finn gode «kilder» som så kan tappes på flere måter, direkte, eller etter forskjellige grader av anrikning

Metagenomer

Metaproteomer

Genomer

Ekpresjonsbiblioteker fulgt av funksjonell screening

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

8

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Metaproteomikk

Metacellulosomics-driven discovery of synergism in a soil-derived cellulose-degrading microbial community Yizhuang Zhou, BGI, Phillip B. Pope, UMB, et al., 2013

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

9

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Upregulation of gene expression when Serpula lacrymans grows on wood (Eastwood et al., 2011, Science 333:762-765)

Begrensning av datasettet

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

10

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Medbehandling

Utenbehandling

Oppdagelsen av LPMOs, «Lytic Polysaccharide Monooxygenases»(Vaaje-Kolstad et al., 2010; Horn et al., 2012)

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

11

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Enzym produksjon (WP2)

Ekspresjonssystemet (vertsorganisme) må velges med omhu og flere systemer må testes

Labskala – Funker ofte; kan raskt ekskludere enzymer fra videre utvikling

Større skala – Krever spesialkompetanse

«Downstream processing» kan være en utfordring

Sintef

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

12

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Enzym produksjon (WP2)

Uformell uttalelse fra Novozymes, verdens ledende produsent av industrielle enzymer:

Den viktigste enkeltfaktor som har gjort våre cellulase produkter billigere i perioden 2000 – 2010 ligger i vår fermenteringsteknologi

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

13

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Karakterisering (WP3)

En stor kostnadspost og en potensiell «competitive advantage»

UiT

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

14

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

«Engineering» (WP4): Å forbedre enzymersoperasjonelle egenskaper gjennom sete-rettet mutagenese eller in vitro evolusjon

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

15

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Sete-rettet mutagenese - eksempel

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

16

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Random teknikker krever robotisering

mutated lyase genes

lyase gene (alyA) (brakes G-G and M-G)

Screening of lyase mutant library: increased G-G specificity

Expression in E. coli,108 000 clones

Cultivation in 96-well plates,6700 random strains

Activity measurements ontwo defined substrates 2. GGGGGGGGGGG

1. MGMGMGMGMGM

Time

A230

ISOLATION OF A NOVEL LYASE WITH SPECIFIC ACTIVTY AGAINST G-G

Robotic colony picker and work stations

random mutagenesis, error prone pcr

Tøndervik A, et.al.(2010) JBC, 2010. 285(46): p. 35284-92.

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

18

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Simultan utvikling av enzym og prosess

Borregaard trenger spesialtilpassede enzym-cocktails; NorZymeD kan bidra

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

19

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Fabrikk for annen generasjons bioetanol, Crescentino, Italia

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

20

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Kompetanse skaper verdier !

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

21

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.nowww.biochos.com

Fungi infected strawberry

flowers

Our product+

Synthetic fungicide(10% of recommended dose)

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

22

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Institu

tt for kje

mi, b

iote

knolo

gi o

g

matv

itenska

p

23

UN

IVER

SIT

ETET FO

R M

ILJØ- O

G B

IOV

ITEN

SK

AP

www.umb.no

Kommerialiseringsveier for NorZymeD

Nye eller forbedrede enzymer

Nye eller forbedrede prosesser

Prosesser spesialtilpasset til norske forhold

Produksjon av (spesial)enzymer