BioDiMet – Methyltransferasen zur funktionellen Diversifizierung von bioaktiven Stoffen

Ziel des BioDiMet‑Projekts ist die Entwicklung einer robusten und einfachen biokatalytischen Methyltransferase‑Toolbox, die für die selektive Synthese neuartiger bioaktiver Stoffe oder ihrer Vorstufen im industriellen Umfeld eingesetzt werden kann. BioDiMet will Enzymkaskadenreaktionen mit S‑Adenosyl‑L‑Methionin (SAM)‑abhängigen Methyltransferasen (MT) in Kombination mit einem Cofaktor‑Supply‑ oder Recyclingsystemen einsetzen, um die Zielverbindungen selektiv zu methylieren. Die strukturelle Diversifizierung ausgewählter Substrate wird zu neuen Produkten mit neuen funktionalen Eigenschaften führen.

Ziel des BioDiMet‑Konsortiums aus Wissenschaft, Forschung und Industrie ist es, eine Synthese‑Strategie der Natur zur selektiven Methylierung von Zielverbindungen als robuste enzymatische Plattform in einen frühen industriellen Maßstab umzusetzen. In der Natur ist die enzymatische Methylierung durch S‑Adenosyl‑L‑Methionin (SAM)‑abhängige Methyltransferasen oft ein wichtiger Schritt in der Synthese von bioaktiven Naturstoffen. Dabei können die Reaktionen regio‑ und/oder stereoselektiv erfolgen. Es gibt herausragende Beispiele der enzymatischen Methylierung, die mit herkömmlichen synthetischen Methoden unter ähnlichen Bedingungen nicht realisierbar sind.

Dies ist von großer Bedeutung für die Entwicklung neuartiger Bioaktivstoffe in den Multi‑Milliarden‑Euro‑Märkten der Pharma‑, Agrochemie‑ und Duftstoff‑/Aromenindustrie. Der Schlüssel zur strukturellen Vielfalt und Bioaktivität vieler Verbindungen, die Amin‑ und Alkoholfunktionalitäten enthalten, ist in diesem Bereich häufig die selektive Methylierung. Dies ist mit etablierten chemisch‑synthetischen Methoden, bei denen hauptsächlich toxische Methylierungsmittel wie Methyljodid und Dimethylsulfat eingesetzt werden, nur sehr schwer zu erreichen. Die Vorteile enzymatischer Ansätze folgen den Prinzipien der nachhaltigen Chemie und erlauben, toxische Reagenzien zu vermeiden.

Trotz der Bedeutung in der Natur werden SAM‑abhängige Methyltransferasen bisher nicht in der industriellen Synthese eingesetzt. In der Vergangenheit waren die Gründe dafür vor allem darin zu suchen, dass es keine SAM‑Cofaktor‑Supply/Recycling‑Systeme sowie eine robuste Methyltransferase‑Toolbox gab. In den letzten Jahren haben Mitglieder des BioDiMet‑Konsortiums gezeigt, dass diese Einschränkungen nicht mehr gelten, indem sie intelligente enzymatische Methylierungskaskaden mit integriertem SAM‑Supply oder ‑Recycling etabliert haben.

Die Arbeiten in BioDiMet sind nun der nächste und notwendige Schritt zur Industrialisierung der Enzyme in der Pharmaindustrie. Die Aktivitäten werden unter dem Dach von drei Technologieplattformen (TP) durchgeführt und umfassen

  • die Synthese von Zielmolekülen für die Methylierung
  • die Entwicklung neuer Enzyme für die Methylierungskaskaden sowie
  • die Bereitstellung prospektiver SAM‑Analoga.

Dazu gehört auch die Entwicklung von Methylierungskaskaden mit Cofaktorzufuhr und die Optimierung enzymatischer Schritte. Aufgrund des im Wesentlichen irreversiblen Charakters der Methylierung werden die MT‑katalysierten Reaktionen auch dazu genutzt, um thermodynamische Gleichgewichte der vorangegangenen Reaktionen in den Reaktionskaskaden zu verschieben.

Die Entwicklung von Scale‑up‑Reaktionen und nachgelagerten Verarbeitungsmethoden wird die industrielle Machbarkeit der Plattform erleichtern. Abschließend möchte BioDiMet bekannte und innovative Methyltransferase‑Reaktionssysteme erweitern und verbessern. Dabei werden neuartige Substrate, Enzyme und maßgeschneiderte Enzymkaskaden identifiziert, einschließlich der Synthese einzigartiger Zielverbindungen, die potenziell im frühen industriellen Maßstab methyliert werden können.

BioDiMet vereint führende Partner aus Wissenschaft, Forschung und Pharmaindustrie in den Bereichen I Synthetische Biologie für Methyltransferase‑Kaskadendesign, II enzymatische und chemo‑enzymatische Synthese (Biotechnologie und Chemie) zur Herstellung von Feinchemikalien, die hauptsächlich aus natürlichen Ressourcen oder biobasierten Molekülen gewonnen werden. Es werden aber ebenso Ansätze aus der III Bioinformatik integriert und IV verfügbare Daten aus der Systembiologie für die Entdeckung und Optimierung von Enzymen berücksichtigt, um die aufkommende und vielversprechende enzymatische Methylierungstechnologie von TRL3‑4 auf TRL5‑6 zu verlagern.

Projektinformationen

Projekttitel

BioDiMet – Methyltransferasen zur funktionellen Diversifizierung von bioaktiven Stoffen

 

Projektlaufzeit

April 2018 – März 2021

 

Projektpartner

  • Technische Universität Delft, Delft, Niederlande (Koordinator)
  • Prof. Dr. Ulf Hanefeld, Technische Universiteit Delft (Gesamtkoordinator)
  • Fraunhofer IGB, Institutsteil BioCat, Straubing, Deutschland
  • Albert-Ludwigs Universität, Freiburg, Deutschland
  • University College London, London, Großbritannien
  • Ben-Gurion University of the Negev, Beer-Sheva, Israel
  • GlaxoSmithKline, Stevenage, Großbritannien
  • Universidad Nacional de Quilmes, Bernal, Argentinien

Förderung

Wir danken der Europäischen Union für die Förderung des Projekts »BioDiMet – Methyltransferasen zur funktionellen Diversifizierung von bioaktiven Stoffen« im Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020, Zuwendungsvereinbarung 722361.