Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 1 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Utvikling av (industrielle) enzymer Vincent Eijsink UMB, snart NMBU – Institutt for Kjemi, Bioteknologi og Matvitenskap

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 2 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP 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.

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 3 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP 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

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 4 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Begrensning 2 - Komplekse substrater krever komplekse enzymblandinger

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 5 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Potensialet er allikevel stor S-Y Ding et al., Science, 2012, 338:

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 6 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP 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)

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 7 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP 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

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 8 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Metaproteomikk Metacellulosomics-driven discovery of synergism in a soil- derived cellulose-degrading microbial community Yizhuang Zhou, BGI, Phillip B. Pope, UMB, et al., 2013

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 9 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Upregulation of gene expression when Serpula lacrymans grows on wood (Eastwood et al., 2011, Science 333: ) Begrensning av datasettet

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 10 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Med behandling Uten behandling Oppdagelsen av LPMOs, «Lytic Polysaccharide Monooxygenases» (Vaaje-Kolstad et al., 2010; Horn et al., 2012)

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 11 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP 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

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 12 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP 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

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 13 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Karakterisering (WP3) En stor kostnadspost og en potensiell «competitive advantage» UiT

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 14 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP «Engineering» (WP4): Å forbedre enzymers operasjonelle egenskaper gjennom sete- rettet mutagenese eller in vitro evolusjon

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 15 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Sete-rettet mutagenese - eksempel

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 16 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Random teknikker krever robotisering

mutated lyase genes lyase gene (alyA) (brakes G-G and M-G) lyase gene (alyA) (brakes G-G and M-G) Screening of lyase mutant library: increased G-G specificity Expression in E. coli, clones Expression in E. coli, clones Cultivation in 96-well plates, 6700 random strains Cultivation in 96-well plates, 6700 random strains Activity measurements on two defined substrates Activity measurements on two 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, (46): p

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 18 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Simultan utvikling av enzym og prosess Borregaard trenger spesialtilpassede enzym-cocktails; NorZymeD kan bidra

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 19 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Fabrikk for annen generasjons bioetanol, Crescentino, Italia

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 20 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Kompetanse skaper verdier !

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 21 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Fungi infected strawberry flowers Our product + Synthetic fungicide (10% of recommended dose)

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 22 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP

Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 23 UNIVERSITETET FOR MILJØ- OG BIOVITENSKAP Kommerialiseringsveier for NorZymeD  Nye eller forbedrede enzymer  Nye eller forbedrede prosesser  Prosesser spesialtilpasset til norske forhold  Produksjon av (spesial)enzymer