Verdensledende enzymforskning på Ås campus · 2019-04-15 · Post-doc, Groningen, 1991-1992 Forsker ved Laboratorie for Mikrobiell Genteknologi (Ingolf Nes), 1993 –1997 ... Bioraffinering

Verdensledende

enzymforskning på Ås campus

og hvordan vi kom dit

Vincent Eijsink

Institutt for Kjemi, Bioteknologi og

Matvitenskap, NMBU, Ås

«Protein Engineering and Proteomics»

(PEP) gruppen ved IKBM

1 Gruppe leder

4 Ingeniører

16 PhD studenter

18 forskere med PhD, deriblant 10 «post-docs», 1

professor, 2 ass professor

2 - ? MSc studenter

2 - ? Gjester

Norwegian University of Life SciencesJan 20, 2016 2

3

Vår enzymforskning: Bioprospektering

Enzym engineering og

karakterisering

Råstoff & prosess

Analyse

Implementering

Innhold

Norwegian University of Life Sciences 4Jan 20, 2016

Personlig historie

Faglig tidslinje

Dagens kontekst for vår forskning

Vår forskning

Noen betraktninger om hva som må til for

å lykkes

Historie - personlig


MSc i «Molekylær Vitenskap», Wageningen, Nederland,

1986

PhD i Naturvitenskap, Groningen, Nederland, 1991

Post-doc, Groningen, 1991-1992

Forsker ved Laboratorie for Mikrobiell Genteknologi

(Ingolf Nes), 1993 – 1997

Professor ved NLH / UMB / NMBU, 1997 – i dag



Viktige elementer under doktogradsstudiene (1986-1991):

Stor åpen og internasjonalt forskningsgruppe

En meget engasjert veileder som var flink og kjente sine

begrensninger

En tøff og ambisiøs bi-veileder, bruk av helt nye

teknologier

Hard arbeid

Fantastisk universitetsmiljø (toppfolk)

Kortere opphold på et utenlandsk toppsted

Skriving («artikkelsnekring»)




Doktorgradsavhandlingen la et fundament:

Kunnskap om enzymer; tidsriktig «engineering» kunnskap

Kombinasjon av anvendt tenkning med høyt vitenskapelig

nivå

Multidisiplinær

12 publiserte kapitler, Cum laude, en del flere artikler i

etterkant

Etter doktorgraden


Et år post-doc, i Groningen

Til utlandet, bytte tema, lære mer om nye ting…..

I Norge


4,5 år som forsker ved Ingolf Nes fra jan 1993

Avslag, avslag, avslag……..

Fra 1996: Med på et EU prosjekt på «engineering» av

kitinaser

Professor i 1997

I 1998: første, men minimal, bevilgning fra NFR

Avslag, avslag, avslag…….

I 2000/2001: første ordentlige bevilgning; bestemte meg

for å bli i Norge inntil videre.

Enzymforskningshistorie -

Kitin


Kitin finnes overalt.

Mange organismer som vi vil bekjempe har

kitin, mens mennesker ikke har kitin.

Vitkig bio-ressurs, mange applikasjoner.


Kitin


Kitin finnes overalt.

Mange organismer som vi vil bekjempe har

kitin, mens mennesker ikke har kitin.

Vitkig bio-ressurs, mange applikasjoner.

OBS! Kitin ligner

cellulose


Kitin


Enzymforskningshistorie


1992: Norsk – Nederlandsk samarbeid kitinaser

1994 – 1996: Flere kitinase artikler med Ingolf Nes

1996: EU prosjekt innvilget

1998: En stipendiat finansiert av NFR

2000/2001: To PNAS artikler på kitinaser

2001: Strategisk bevilgning fra Forskningsrådet; samarbeid med

NTNU

2004 – 2006: Flere høy-siterte kitinase artikler

2005 (!): Vaaje-Kolstad et al., 2005a,b

2008-2009: Fokus på biomass, biogass, cellulose, nye prosjekter

2010: Stort gjennombrudd (Vaaje-Kolstad et al., Science)

2010-2015: Politisk støtte, nye prosjekter, gode artikler

2015: Stor forskningsgruppe på grunnleggende og anvendt

enzymteknologi

Hva har vi drevet med de

siste årene ?


Bioraffinering i grove trekk


Biomasse

Produkter, f eks nano-

cellulose & lignosulfonat

Forbehandeling

og fraksjonering

Valorisering

Depolymerisering Produkter, f eks sukker,

aminosyrer, prebiotika

Produkter, f eks

bioetanol, fôr, kjemikalier

Bioraffinering i grove trekk


Biomasse er komplisert, heterogen og polymert

Bioraffinering og bioenergi


Varme

Første generasjons biodrivstoff:

• Planteoljer til biodiesel

• Stivelse til sukker til bioetanol

Annen generasjons biodrivstoff:

• Biomasse direkte til bio-diesel

(BTL - Biomass to Liquids)

• Cellulose til sukker til bioetanol

• Biogass

Bioraffinering – Naturens egne verktøy


EnzymerMikrober, mikrobesamfunn

(“Fermentering”)

Bioraffinering og Bioteknologi


Biomasse

Produkter, f eks nano-

cellulose & lignosulfonat

Forbehandeling

og fraksjonering

Valorisering

Depolymerisering Produkter, f eks sukker,

aminosyrer, prebiotika

Produkter, f eks

bioetanol, fôr, kjemikalier

Mikrober og enzymer

Enzymer – Naturens egne verktøy


Enzymer – Naturens egne verktøy



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.

De kan tilpasses industrielle forhold


Mikrobenes fortreffelighet

Mikrober og mikrobielle samfunn klarer «alt»

Nye «-omics» verktøy gjør at mikrobene

«temmes» og tilpasses («syntetisk biologi»)

Mikrobielle sluttprosesser øker «sirkulariteten i

bio-økonomien»

En typisk bioteknologisk «annen-

generasjons» prosess


Polymert, cellulose-

rik biomasseEnzymer

Sukker i

løsning

Etanol

Andre (fin)

kjemikalier Diverse

kjemikalier“Single cell

protein”

Mik

rober

En typisk bioteknologisk «annen-

generasjons» prosess


Polymert, cellulose-

rik biomasseEnzymer

Sukker i

løsning

Etanol

Andre (fin)

kjemikalier Diverse

kjemikalier“Single cell

protein”

Mik

rober

+ en rest


© NREL

Biomass

Future animal feeds should be based on sustainable feed sources that do not

compete directly with human food, such as macroalgae, grass and trees.

Feed efficiency

Foods of Norway addresses feed resource utilization across different fish and

farm animal species. The advantages of each species with respect to efficiency

are used to convert different feed resources into food.

Product quality

Developing feed ingredients based on local natural resources does not only

increase food security, but also the product quality and nutritional value.

http://www.foodsofnorway.net/key-research/biomass/node/23864

http://www.foodsofnorway.net/key-research/feed-efficiency

http://www.foodsofnorway.net/key-research/product-quality

Gjær produsert fra trær – en

høykvalitets næringskilde

Gjærsopp:

• ~ 55% protein, 6-10% nukleinsyrer, 2-8% fett

• Høg proteinkvalitet

Kilde: Øverland et al.,2013, Aquaculture 402–403, 1–7

NMBU-IHA har testet ut gjær i forsøk med laks:

1. Torula/ Candida utilis2. Kluveromyces marxianus3. Bakegjær/ Saccharomyces cereviciae


Biomassen er robust


Biomasse er komplisert, heterogen og polymert

Hvordan skal

sukkeret bli

tilgjengelig?


© NREL

Cellulose-rike råstoffer



Cellulose-rike råstoffer

Enzymene har en vanskelig oppgave


© NREL

Enzymene har en vanskelig oppgave


© NREL

../Jan20_2016/NREL_720_576.wmv

../Jan20_2016/NREL_720_576.wmv

Gammelt arbeid på kitinaser fra S.

marcescens

Jan 20, 2016 35

ChiA

ChiBChiC

CBP21

Chitobiase

Chitin binding protein (CBP21) in the culture supernatant of Serratia marcescens2170. Suzuki K, Suzuki M, Taiyoji M, Nikaidou N, Watanabe T. Biosci Biotechnol

Biochem. 1998 Jan;62(1):128-35Norwegian University of Life Sciences

Forskning på CBP21

Jan 20, 2016 36

Gustav Vaaje-Kolstad

Norwegian University of Life Sciences

Først fant vi strukturen på CBP21 (2005)

Jan 20, 2016 37

Crystal structure and binding properties of the Serratia marcescens chitin-binding protein CBP21. Vaaje-Kolstad G, Houston DR, Riemen AH, Eijsink VG, van Aalten

DM. J Biol Chem. 2005 Mar 25;280(12):11313-9


Så fant vi funksjonen på CBP21 (trodde vi)

Jan 20, 2016 38

The non-catalytic chitin-binding protein CBP21 from Serratia marcescens is essential for chitin degradation. Vaaje-Kolstad G, Horn SJ, van Aalten DM, Synstad B, Eijsink VG.J Biol Chem. 2005, 280:28492-7.


Så fikk vi oppmerksomhet

Jan 20, 2016 39Norwegian University of Life Sciences


Jan 20, 2016 40

Elwin T. Reese – the C1-Cx hypothesis (1950)



Jan 20, 2016 41

….men ikke penger (med det første)


2010: CBP21 er et enzym, en «LPMO»

som katalyserer en redoksreaksjonEndpoint

CBP21 + CBP21

Reductant Synergy with ChiC

G. Vaaje-Kolstad et al., Science 330:219-222 (2010)Jan 20, 2016 42Norwegian University of Life Sciences

Oppdagelse av LPMOs ved NMBU


© NREL

Oppdagelse av LPMOs ved NMBU


© NREL

G. Vaaje-Kolstad et al., Science 330:219-222 (2010)

Forsberg et al., 2011, Protein Science, 20:1479-1483 (July, CBM33/AA10)

Langston et al.., 2011, Appl Env. Microbiol. 77:7007-715. (Aug, GH61/AA9)

Quinlan et al., 2011, PNAS, 108:15079-15084. (Sep, GH61/AA9)

Philips et al., 2011, ACS Chemical Biology, 6,1399. (Oct, GH61/AA9)

Westereng et al., 2011, PLoS One, 6, e27807. (Nov, GH61/AA9)

CelS2, a cellulose-

active LPMO from

Streptomyces coelicolor

(Forsberg et al., 2011)

LPMOs virker ikke bare på kitin

45

LPMOs gjør noe helt nytt


© NREL

LPMOs gjør noe helt nytt


Vaaje-Kolstad et al., 2010, Science; Horn et al., 2012 Biotechnology for Biofuels;

Aachmann et al., 2012, PNAS; Agger et al., 2014, PNAS; Forsberg et al., 2014, PNAS.


Elwin T. Reese – the C1-Cx hypothesis (1950)

Vi fant noe som verden hadde letet etter

i 60 år……


….og som i dag brukes i alle

lignocellulose-baserte bioraffinerier

Siden 2010

Norwegian University of Life Sciences 50

Mer prosjekter innen grunnleggende og anvend

enzymologi, sterk vekst

Mer gode artikler

Mer utstyr

Gode folk fra hele verden

Folk som blir; kompetanseoppbygging

Utstrakt samarbeid med industrien

Jan 20, 2016

Siden 2010


Mer prosjekter innen grunnleggende og anvend

enzymologi, sterk vekst

Mer gode artikler

Mer utstyr

Gode folk fra hele verden

Folk som blir; kompetanseoppbygging

Utstrakt samarbeid med industrien

Og dette skyldes ikke kun gjennombruddet i

2010

Jan 20, 2016

52

Vår enzymforskning: Bioprospektering

Enzym engineering og

karakterisering

Råstoff & prosess

Analyse

Implementering

Er vi verdensledende ?


Vel…….

Alle i feltet vet hvem vi er

Vi blir mye sitert

Vi holder mange foredrag

Vi konkurrerer med noen av de beste

forskningsinstitusjoner i verden

Vi har forbedringspotensiale……

Jan 20, 2016

Hva måtte til ?


Gruppeleder: God grunnutdanning, hard arbeid, gode

vitenskapelige «manerer», formidlingsevner

Forskningsfinansiering som muliggjør langsiktighet

(OBS!)

Tålmodighet

Støtte, god ledelse, god administrasjon, forsknings-

og kvalitetsvennlige omgivelser.

Handlingsrom og handlekraft

Infrastruktur

Gode medarbeidere

Flaks, både faglig og i det hele tatt…..

Hva måtte til ?


“It's a funny thing, the more I practice

the luckier I get”

Arnold Palmer

Documents

Verdensledende enzymforskning på Ås campus · 2019-04-15 · Post-doc, Groningen, 1991-1992 Forsker ved Laboratorie for Mikrobiell Genteknologi (Ingolf Nes), 1993 –1997 ... Bioraffinering