Entwicklung einer neuartigen biologischen Toolbox zur Synthese von Glykosiden, Oligo- und Polysacchariden aus Glukose und/oder Succrose - ein Fokus liegt auf der Synthese von HMOs (Glycosid Produktion)

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Hintergrund und Motivation

Saccharide und Glykoside sind eine vielfältige Gruppe von natürlich vorkommenden Substanzen mit einem breiten Anwendungsfeld und einem Multimilliarden-€-Markt. Für einige spezifische Oligosaccharide konnten gesundheitsfördernde Funktionen identifiziert werden. Zum Beispiel enthält humane Muttermilch Oligosaccharide (Humane Milch-Oligosaccharide, HMO), die das Immunsystem und die Gehirnentwicklung des Kindes unterstützen und daher vorteilhafterweise in Babynahrung eingesetzt werden. Durch ihre probiotische und immunstimulierende Wirkung werden sie auch als Nahrungsergänzungsmittel genutzt.    

Die große Herausforderung für diese Produktklasse besteht in der wirtschaftlichen Produktion dieser Verbindungen. Insbesondere aufgrund der hohen Komplexität der Zuckerchemie und der nötigen Verwendung von Schutzgruppen, um Nebenprodukte zu vermeiden, sind stereospezifische, biologische Produktionssysteme denen der chemischen Industrie überlegen. Zwei biologische Herstellungsverfahren, die die hohe Selektivität und Spezifität von Enzymen nutzen, sind dabei möglich. So können die Oligosaccharide in vivo, also fermentativ mit Hilfe von Mikroorganismen hergestellt werden, oder auch in vitro unter Einsatz isolierter Enzyme.

Zielsetzung und Vorgehensweise

Im Rahmen dieses Projekts soll mit Unterstützung von innovativen in silico Methoden, wie zum Beispiel Moleküldynamik-Analysen und maschinellem Lernen zur Struktur- und Funktionsvorhersage, sowie einer nach dem Prinzip einer Biofoundry automatisierten DNA-Assemblierung und kombinatorischen Domänen-Assemblierung in Kombination mit „high throughput“-Screening, eine neuartige Enzym-Plattform für Glykosyltransferasen (GTs) aufgestellt werden. Hierbei werden durch die Modifikation natürlicher Enzyme GTs mit neuen Eigenschaften generiert und auf industrielle Nutzung getestet. Um eine ökonomische Produktion der Glykoside zu gewährleisten, sollen als weiterer Aspekt des Projekts geeignete in vitro Verfahren für die Aktivierung der zu verwendenden Monosaccharide entwickelt werden. Alternativ werden in vivo Produktionsstämme durch Metabolic Engineering entwickelt und die Verfahren miteinander verglichen.

Zunächst sollen die Prinzipien als Proof-of-Concept für die Produktion zweier Zielstrukturen überprüft werden. Die erstellte Enzym-Plattform soll die Grundlage für die Synthese unterschiedlichster Zuckerstrukturen bilden, die weder aus der Natur noch über chemische Synthesen wirtschaftlich zugänglich sind.

Rolle der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT) im Verbundprojekt

Die Professur für Bioinformatik von Prof. Dr. Dominik Grimm (HSWT) am TUM Campus Straubing beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit intelligenten Algorithmen und Verfahren des maschinellen Lernens, um ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Architektur komplexer Prozesse für die Bioökonomie zu erlangen. In diesem Projekt erforscht die Arbeitsgruppe neuartige KI Verfahren zur Analyse von komplexen bio-chemischen Daten.

ENGLISH VERSION

Background and motivations

Saccharides and glycosides are a diverse group of naturally occurring substances with a wide range of applications and a multi-billion € market. Health-promoting functions have been identified for some specific oligosaccharides. For example, human breast milk contains oligosaccharides (human milk oligosaccharides, HMO), which support the immune system and brain development of the breast-fed child and are therefore advantageously used in infant formula. Due to their probiotic and immunostimulant effects, they are also applied as dietary supplements.

The big challenge for this product class is an economic synthesis of these compounds. Especially due to the high complexity of sugar chemistry and the necessity of protection groups to prevent the formation of side products, stereospecific, biological production systems are superior to those in the chemical industry. Two biological manufacturing processes that take advantage of the high selectivity and specificity of enzymes are possible. The oligosaccharides can be produced in vivo, i.e. fermentatively with the help of microorganisms, or in vitro using isolated enzymes. 

Objective and approach

In this project, a novel enzyme platform for glycosyltransferases (GTs) will be established with the support of innovative in silico methods, such as molecular dynamics analysis and machine learning for structure and function prediction, as well as biofoundry based automated DNA assembly and combinatorial domain assembly, together with high throughput screening. By specifically modifying natural enzymes, GTs with new properties will be created and tested for industrial use. To ensure an economic production of glycosides, suitable in vitro methods for the activation of the applied monosaccharides will be developed as another aspect of the project. Further, in vivo production strains will be metabolically engineered. Finally, the established procedures will be compared with each other.

The production of two target structures will be used in the study as a proof of concept for the different principles. The created enzyme-platform shall then be the basis for the synthesis of diverse sugar structures, which are currently not economically accessible neither from nature nor via chemical synthesis.

Role of Weihenstephan-Triesdorf University of Applied Sciences (HSWT) in the joint project

The Professorship of Bioinformatics of Prof. Dr. Dominik Grimm (HSWT) at the TUM Campus Straubing has been working for several years on intelligent algorithms and machine learning methods to gain a better understanding of the underlying architecture of complex processes for the bioeconomy. In this project, the research group explores novel AI methods for the analysis of complex bio-chemical data.