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Biotechnology Research And Information Network AG Weiße Biotechnologie – Anwendung von mikrobiellen Enzymen, Biokatalysatoren und bioaktiven Stoffen in industriellen Prozessen WiTechWi / Arbeitskreis Wissenschaft-Technologie- Wirtschaft in der Kulturkreisgesellschaft Schwalbach AES / Albert-Einstein Schule Schwalbach 10.03.2010 PD Dr. Stefan Pelzer Corporate Development Microbiology BRAIN Aktiengesellschaft

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Bio tec hn o lo gy Re se arc h

An d In fo rm a t ion N etwo rk A GB io te ch no log y Re se arc h

A nd In fo rm at io n N etwo rk A G

Weiße Biotechnologie –Anwendung von mikrobiellen Enzymen, Biokatalysatoren und bioaktiven Stoffen in industriellen Prozessen

WiTechWi / Arbeitskreis Wissenschaft-Technologie-Wirtschaft in der Kulturkreisgesellschaft Schwalbach

AES / Albert-Einstein Schule Schwalbach10.03.2010

PD Dr. Stefan PelzerCorporate Development Microbiology

BRAIN Aktiengesellschaft

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

Weiße Biotechnologie

Definition und Bedeutung der Weißen Biotechnologie

Screening und Anwendung von Enzymen• Enzyme im Alltag / das Metagenom als Quelle• Fallbeispiel: Alkoholdehydrogenasen

Neue Produkte der Weißen Biotechnologie

1

2

4

©B

RAI

N A

G

Designermikroorganismen• Das Paradabeispiel: Fermentative Vitamin B2 Produktion• 1,3 Propandiol Biosynthese in E. coli• Mikrobielle Produktion von Vorstufen des Artemisinins

3

Zusammenfassung5

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

1. Definition und Bedeutung der Weißen Biotechnologie

„Biotechnologie umfasst alle innovativen Methoden,

Verfahren oder Produkte, die die Nutzung von lebenden

Organismen oder ihrer zellulären und subzellulären

Bestandteile beinhalten, sowie die kommerzielle

Umsetzung von Erkenntnissen der Molekularbiologie,

Virologie, Mikrobiologie und Zellbiologie.“

Deutscher Biotech Report 2002

„Biotechnologie umfasst alle innovativen Methoden,

Verfahren oder Produkte, die die Nutzung von lebenden

Organismen oder ihrer zellulären und subzellulären

Bestandteile beinhalten, sowie die kommerzielle

Umsetzung von Erkenntnissen der Molekularbiologie,

Virologie, Mikrobiologie und Zellbiologie.“

Deutscher Biotech Report 2002

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

1. Definition und Bedeutung der Weißen Biotechnologie

White Biotechnology:

Application of nature´stoolbox

in industrial production[EuropaBio, Bruxelles 2003]

Rote (medizinische)Biotechnologie

weiße(industrielle)

Biotechnologie

grüne (agrar)Biotechnologie

Biotreibstoff/Bioenergie

Nahrungsmittel/FutterIndustrie

Feinchemikalien KörperpflegeReinigungsmittel

”Bulk”Chemikalien

Polymere

Spezialchemikalien

Aminoacids, Vitamins, Aspartam, Phytase, etc.

Bioethanol, 2G-fuels, 3G-fuels, Biogas, etc.

Enzymes, Detergents, Pulp, Paper, Textile, etc.

PLA, PHAs, PHB,SORONA, etc.

1,3 PD, Acrylamide,Succinic Acid, Lactic

Acid etc.

7-ACS, building blocksetc.

Cyclodextrine, Building Blocks, Hyaluronsäure,

etc.

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

1. Definition und Bedeutung der Weißen Biotechnologie

Fermentationen mit Hilfe von Mikroorganismen Otto Röhm1879-1939

1907: „enzymatische Lederbeize“1909: OROPON (Proteasen für die Ledergerbung)

statt Hundekot und Taubenmist„Röhm und Haas“, Darmstadt

Biotechnologie in der industrielle Produktion

Weiße Biotechnologie: Keine neue Disziplin !

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

1. Definition und Bedeutung der Weißen Biotechnologie

Source: McKinsey 2009: White Biotechnology, Press Briefing

Growth rates:

Total Chemical Industry: ca. 2.5%

White Biotech: ca. 9%

McKinseys aktuelle Prognose für die Weiße Biotechnologie

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

Weiße Biotechnologie

Definition und Bedeutung der Weißen Biotechnologie

Screening und Anwendung von Enzymen• Enzyme im Alltag / das Metagenom als Quelle• Fallbeispiel: Alkoholdehydrogenasen

Neue Produkte der Weißen Biotechnologie

1

2

4

©B

RAI

N A

G

Designermikroorganismen• Das Paradabeispiel: Fermentative Vitamin B2 Produktion• 1,3 Propandiol Biosynthese in E. coli• Mikrobielle Produktion von Vorstufen des Artemisinins

3

Zusammenfassung5

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

Enzyme für industrielle Anwendung sind Teil unseres Alltags !

2. Screening und Anwendung von Enzymen

Global market for Industrial Enzymes(2007): $ 2.3 Bln (CAGR 4%)

Novozymes A/S (Denmark)Danisco A/S (Denmark)DSM N.V. (Netherlands)

Animal Feed

Baking, Beverage, DairyDetergents

Pulp and Paper

Cellulase LaccaseAmylase

Textiles and Leather

Amylases, Proteases, Lipases, Pectate Lyases…

Chymosin, Laktase, Pectinase, Xylanase, Asparaginase, Lipase, Transglutaminase etc…

Phytases

Amylases, Xylanase, Lipases, Katalases, etc.

Only 130 – 200 enzymes in industrial application !!

OHO

OH

OH

Chemicals

Oxidoreduktase

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

2. Screening und Anwendung von Enzymen

temperature stability

substrate range

substrate selectivity (regio-, enantio-)

turnover frequency (kcat)

pH profile

temperature profile

product inhibition

solvent stability

substrate specificity(KM,kcat/KM)

pH stability

byproduct/ingredient inhibition

space-time yield

Act

ivity

Effic

ienc

y

Spec

ifici

tySt

abili

ty

ingredient / byproduct stability

producibility / expression yield substrate conversion (%), yield

specific activity (kat/kg, U/mg)

Lorenz & Eck (2005) Nature Mirobio Rev 3: 510-516

A Bdesired Reaction ?reaction constraints

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

Sequence-basedScreening

• sequence-motive driven• use of structure-function

knowledge

Activity-basedScreening

• activity driven • independent from known

sequences, genes,...

candidatesof specified functional group

candidatesof specified activity

Sequencing &Data-/Gene-mining

• Habitat or clone driven• use of annotation

knowledge

candidatesfrom genome-fragments

Strain- / Habitat-Collections

NP_854323NP_215160CAD93527CAB07104NP_335086AAK44900YP_264476AAZ19042CAA61351AAF87665NP_149260AAK76842BAD13383BAD10980AAM18212BAD10977BAD10974AAB16939AAA99002NP_746151AAN69615AAB35246BAA86922YP_260562AAY92726AAB60168YP_079396AAU23758YP_171472BAD78952NP_484155BAB77635NP_440460BAA17140YP_172292BAD79772NP_923742NP_949068CAE29172NP_662200AAM72542ZP_00237655EAL14590NP_371139CAG42358YP_042710BAB56777YP_040069CAG39642NP_763944AAO03986YP_160332CAI09431NP_840542CAD84367YP_035278AAT59258AAU19314YP_082533ZP_00236030EAL16683NP_830813AAP08014NP_834057AAP11258BAD12779AAG06337AAF89744NP_251639CAA47949CAA37863YP_045825CAG68003AAK81864NP_975515CAE77157AAA95966CAA83733NP_975514CAE77156AAA95965AAA95964AAZ43794NP_975361CAE77003YP_115761AAV27481AAZ44221NP_072996AAC71551NP_110161AAB96016NP_325868CAC13210NP_325867CAC13209NP_325869CAC13211NP_325866CAC13208NP_757778BAC44182NP_072977AAC71532NP_110133AAB96044NP_758313BAC44717NP_757932BAC44336YP_015897AAT27686

NP_073014AAC71569NP_110207AAB95971NP_077851AAF30426YP_189619AAW52917

YP_015763AAT27552AAZ44336AAM09096NP_325864CAC13206NP_326526CAC13868YP_274221AAZ36304YP_095481AAU27534YP_094512AAU26565AAM73852YP_267930AAZ24762NP_832278AAP09479NP_831724AAP08925

NP_347452AAK78792ZP_00229382EAL10642AAT03436YP_013259ZP_00233885EAL06269YP_053724AAT75840YP_265740AAZ21137

YP_083832AAU18015YP_036612AAT61445NP_832211AAP09412YP_019137NP_844875AAT31612AAP26361NP_978840AAS41448ZP_00240205EAL12154YP_028582AAT54633

ZP_00670109EAO17307NP_840654CAD84481NP_250306AAG05004

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ZP_00638408EAN74783NP_936270BAC96240

ZP_00637221EAN76091ZP_00675753EAO25482YP_268512AAZ24140NP_867010CAD74552

ZP_00551941EAM70544YP_269124AAZ27340ZP_00513728EAM52931

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ZP_00238748EAL13690

ZP_00426848EAM26562

ZP_00485260ZP_00478656ZP_00494699ZP_00488379ZP_00442325ZP_00643568ZP_00447313ZP_00451894ZP_00436711ZP_00429015ZP_00470102ZP_00500501ZP_00216580ZP_00277743ZP_00168705YP_157959CAI07058ZP_00334481

ZP_00243085

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NP_834045AAP11246

NP_372122YP_005592AAS81965

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AAZ51456AAX71927YP_060154AAT86971

NP_459729AAX64654YP_215735AAL19688

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YP_005463AAS81836NP_348633AAK79973NP_833338AAP10539ZP_00238596EAL13711YP_004527AAS80900NP_346912AAK78252YP_204236AAW85348

NP_968776CAE79769YP_274281AAZ37093NP_792112AAO55807YP_235172AAY37134YP_258989AAY91158NP_744233AAN67697

NP_250462AAG05160NP_900850AAQ58855YP_000530AAS69167BAC69260BAB69216NP_822725

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ZP_00644507ZP_00641897

ZP_00403707ZP_00284730ZP_00053150AAC45583

ZP_00644213ZP_00050689

ZP_00655483EAO09720

ZP_00644470ZP_00428089

ZP_00387401

ZP_00209910

ZP_00644306YP_241382AAY47362NP_635661AAM39585

ZP_00636610EAN68883

ZP_00130496

ZP_00447384ZP_00441185ZP_00429086ZP_00452047ZP_00433728

ZP_00641594

ZP_00644554

ZP_00602617EAN10964

ZP_00266891

AAW38859

YP_185282

ZP_00403422ZP_00008247

ZP_00644800ZP_00641555

YP_028583AAT54634

ZP_00652817EAO12446EAO31763

ZP_00387402AAX31560

NP_721207AAN58513

ZP_00349271ZP_00284165

ZP_00652815EAO12444EAO31765

ZP_00382490YP_246758AAY61593

ZP_00340383AAY82369ZP_00644436

AAA25879AAA17487

AAB24833AAB22135

AAB32393

AAB20588

AAB20587AAB49525

NP_826954BAC73489

AAB47150AAB17907

NP_826955BAC73490ZP_00616225EAM75965

AAB31769

NP_834224AAP11425

AAB32002ZP_00392985AAP30025

AAB34665ZP_00480083AAB34664

NP_635660AAM39584

ZP_00652814EAO12443

ZP_00507187EAM38495

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ZP_00151210

ZP_00166041ZP_00284028ZP_00216910ZP_00243362

ZP_00281512

ZP_00310159ZP_00217610

ZP_00317930

ZP_00303829

ZP_00262866

ZP_00140625

ZP_00497995ZP_00493911ZP_00467933ZP_00487507ZP_00477006ZP_00482780ZP_00212945

ZP_00278129

ZP_00167989

NP_762632AAO07622YP_047176CAG69354

ZP_00244096AAP51116ZP_00350744

ZP_00440632ZP_00049091

ZP_00602616EAN10963

NP_599274

ZP_00652816EAO12445EAO31764

ZP_00050653

ZP_00641899

AAL82804AAL82803

CAH94363ZP_00645813ZP_00121958

AAT35584

ZP_00642837ZP_00387048

ZP_00655482EAO09719

ZP_00642729ZP_00005488

NP_854791NP_215621CAA17221CAD93996YP_225189CAF19603

NP_338084AAK47898

NP_336829AAK46643NP_338083AAK47897

NP_336498AAK46312AAF74988NP_338382AAK48196NP_336264AAK46078

YP_056804AAT83846AAA26744AAA26743NP_418004AAC76572AAG58697NP_290133BAB37856AAP19155NP_709326AAN45033NP_839344NP_312460YP_218560AAX67479NP_462542AAL22501

YP_168499AAV96530

YP_275953AAZ34855NP_791384AAO55079YP_258332AAY90488ZP_00266489NP_743774AAN67238YP_160269CAI09368NP_252318AAG07016ZP_00137017ZP_00268548NP_900409AAQ58415

ZP_00005972

NP_720476AAN53076YP_267568AAZ25779NP_799580BAC61413

ZP_00318409

YP_220901AAX73540

YP_156155AAV82606

NP_421318AAK24486

NP_717658

AAN55102NP_933633BAC93604

NP_772826BAC51451

NP_759345AAO08872

ZP_00303372

NP_416659NP_288737NP_311073BAB36469AAG57292AAC75215YP_149968AAV76656CAD02576NP_456753NP_804512AAO68361

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AAQ62779AAD22743

BAC98502

BAA02519AAA81002

BAC98497BAC98503

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BAA02012AAC60402AAF66684

AAF01331NP_896093CAE22443

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ZP_00536918EAM78516NP_628904CAA20402BAD44773

NP_841338CAD85200AAZ48028NP_968049CAE79042

ZP_00616819EAM75485

NP_866254CAD73940AAL47055

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NP_770840

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ZP_00134960CAA01212

NP_599275AAQ13462

ZP_00318640AAB94505

AAQ01679

AAQ88181ZP_00316511

AAN28935

AAW82873

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AAB53648

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ZP_00314998

ZP_00356754

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ZP_00316065AAN64190

CAD61042

CAE52328

NP_893961AAF87662

ZP_00120759AAR37801

ZP_00218223

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ZP_00062707

ZP_00357418AAK84028

ZP_00335841AAD22079

BAA03399AAM90952

BAB68338

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NP_953461AAR35788NP_967341CAE77995

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NP_519838CAD15419AAK81865

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ZP_00457061EAM10323

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AAR13273ZP_00654617EAO10599

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NP_251553AAG06251NP_214744CAB06997CAD93099NP_853900

YP_206047AAW87159

AAZ46883YP_045773CAG67951

YP_056707AAT83749NP_710578AAN47596YP_000336AAS68973ZP_00235580EAL17010AAU17144YP_084705NP_979727AAS42335NP_833148AAP10349YP_173740BAD62779NP_813971AAO80043

YP_192979AAV41948

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ZP_00493354

ZP_00212676ZP_00283713ZP_00243802ZP_00167978ZP_00152189

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YP_045530CAG67708ZP_00279747

ZP_00346371ZP_00334775ZP_00279276

ZP_00642250NP_623425AAM25029

ZP_00264184ZP_00139269

YP_175871BAD64910ZP_00394281

ZP_00217877ZP_00169361ZP_00388841ZP_00133902ZP_00387770ZP_00045972

ZP_00391128ZP_00322708

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YP_047522CAG69700

NP_934849BAC94820ZP_00392960

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ZP_00316903

ZP_00284161CAE92890YP_175982BAD65021

ZP_00381258ZP_00392264

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AAC60485YP_251854CAI38236NP_823346BAC69881

YP_246025AAY60860

ZP_00349270

ZP_00349391NP_761196AAO10723AAQ04476NP_934783BAC94754NP_797560BAC59444YP_133605CAG23805NP_232620AAF96133

CAA68639AAG47649AAD22078NP_902384AAQ60384BAA23128BAA01035BAA09135NP_251552AAT85570AAG06250CAA44997AAB53647YP_047804CAG69982CAA56780AAP44577AAD29441

ZP_00654618EAO10600

ZP_00639058EAN74111ZP_00636179EAN69301NP_253500AAG08198AAC34733AAV34204AAT85572AAV34203AAA50466BAA00960AAC60400ZP_00462321ZP_00458702EAM18550EAM08623BAD13379ZP_00426667EAM26790AAW30196AAC05510YP_111747CAH39216CAA49812CAA02073ZP_00426666EAM26789YP_112321CAH39805YP_106588AAU45438NP_778695AAO28344EAO31309

NP_298471AAF83991AAR13272

YP_257759AAY96024AAC15585NP_746959AAN70423ZP_00418427EAM05214CAC07191

AAB01071NP_710768AAN47786AAS71538YP_002901

NP_840851CAD84688BAB58833BAB43769NP_373195NP_375790YP_042090CAG41728NP_647407CAG44373YP_044670BAB96455YP_187480AAW37342YP_189847AAW53186AAC38597NP_763836AAO03878AAA19729

BAD90561AAT34964AAG35726NP_763800AAO03842AAW53119YP_189885

BAD90565AAG35723YP_042422CAG42068AAK29127AAA26633YP_039776CAG39341YP_185209AAW37524BAD90562AAF21294YP_187618AAW53417AAP02960

YP_189935AAW53221AAC67547

CAC84594CAC83747YP_083942AAU17907NP_978931AAS41539YP_036713AAT59991ZP_00239430EAL12983AAT54743AAT31724YP_028692AAP26455YP_019249NP_844969NP_781602AAO35539

AAW47928AAO92067AAV35102CAA64621AAF40217AAN72417AAD30278AAM21775AAM21774AAC12257YP_147839AAL28099BAD76271AAF63229NP_294057AAF09912ZP_00237638EAL14882NP_831907AAP09108YP_074438BAD39594

YP_174487BAD63526ZP_00547494EAM83113

ZP_00370997EAL55885NP_347664AAK79004ZP_00520498EAM60363

NP_868074CAD75621

ZP_00525679EAM55252BAC00500ZP_00455145EAM12038ZP_00616915EAM75386ZP_00520717EAM60129ZP_00569559EAN16151NP_787201AAO44170NP_561658BAB80448ZP_00522347EAM58486ZP_00523965EAM56997ZP_00524310EAM56621ZP_00676420EAO38014

YP_016219AAT28008NP_110095AAB96079AAA79183

ZP_00529227EAM34515NP_970967AAS10848NP_967701CAE78694NP_757987BAC44391

YP_262937AAY95069ZP_00573400EAN12331YP_118521BAD57157

YP_119822BAD58458CAA67627AAT83812YP_056770YP_056483AAT83525NP_626008CAB50950NP_827735BAC74270NP_625552CAB99145ZP_00657678EAO07564ZP_00600062EAN36909ZP_00412504EAL96348AAB71210YP_250218CAI36600YP_250217CAI36599YP_251647CAI38029YP_224378CAF18649YP_224377CAF18648NP_938513CAE48621AAR90148ZP_00572051EAN13693NP_828265BAC74800NP_295801AAF11628NP_628956CAB92662NP_824638BAC71173ZP_00573685EAN12059ZP_00550432EAM72102ZP_00594932EAN53020NP_520203CAD15789ZP_00506377EAM39667AAU27243AAM73853YP_095190BAA22231AAA22574CAB12064NP_388152CAB95850AAR84668AAL36938CAD24006CAB12664NP_388716CAD23620CAA02196YP_079680AAU24042YP_176491BAD65530YP_095141AAU27194ZP_00144893EAA23506NP_603381AAL94680YP_166143AAV94195NP_894267CAE20609NP_897577CAE07999NP_875461AAQ00114NP_892710CAE19051ZP_00675352EAO25921ZP_00515821EAM51130ZP_00387403ZP_00284166ZP_00339732ZP_00320271ZP_00133753AAP12531ZP_00357257ZP_00308314ZP_00280801ZP_00006618ZP_00161632ZP_00266727ZP_00169589

NP_682772ZP_00151895AAB71813ZP_00346514ZP_00121263ZP_00384787ZP_00382590ZP_00053734ZP_00380884ZP_00108555AAM77996ZP_00151799NP_104647ZP_00051870CAA79652

0.10

2. Screening und Anwendung von Enzymen

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2. Screening und Anwendung von Enzymen

Prokaryoten: Die unsichtbare Mehrheit und das Problem des Zugangs

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unspecific dye (DAPI)

Natures Toolbox: optimiert im Verlauf von 3.5 Mrd. Jahre der Evolution

2. Screening und Anwendung von Enzymen

Prokaryoten: Die unsichtbare Mehrheit und das Problem des Zugangs

FISH: Fluoreszenz in situ Hybridisierung

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Habitat Population size Productivity(cells/yr x 1029)

Marine heterotrophs Above 200m 3.6 x 1028 8.2

Below 200m 8.2 x 1028 1.1

Marine autotrophs 2.9 x 1027 7.1

Soil 2.6 x 1029 1Subsurface 4.9 x 1030 0.03

Domestic animals 4.3 x 1024 0.02

Whitman et al. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, pp.6578-6583

2. Stammentwicklung: Voraussetzungen und Strategien

Prokaryoten: Die unsichtbare Mehrheit und das Problem des Zugangs

Amann et al. (1995) Microbiol. Rev. 59, pp.143-169

Habitat Culturability (cfu)seawater 0,001-0,1%

freshwater 0,25%

mesotrophic lake 0,1-1%

unpolluted estuarine waters 0,1-3%

activated sludge 1-15%

sediments 0,25%

soil 0,30%„The great plate count anomaly“

Gesamtzahl: 4 - 6 x 1030

60% der globalen Biomasse50% des elementaren Sauerstoffs

2. Screening und Anwendung von Enzymen

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Anzahl prokaryotischer Organismen in 1 cm³ Boden

DNA source Abundance (cells cm-3)

Community genome complexity (bp)

Genome equivalents *

Forest soil 4,8 x 109 2,5 x 1010 6000

Forest soil, cultivated prokaryotes

1,4 x 107 1,4 x 108 35

Pasture soil (Weide) 1,8 x 1010 (1,5 x 1010) - (3,5 x 1010) 3500 - 8800

Arable soil (Acker) 2,1 x 1010 (5,7 x 108) - (1,4 x 109) 140 - 350

Pristine marine sediment (unberührt)

3,1 x 109 4,8 x 1010 11400

Marine fish-farm sediment

7,7 x 109 2,0 x 108 50

Salt crystallizing pond, 22% salinity

6,0 x 107 2,9 x 107 7

Torsvik et al. (2002) Science 296, 1064

* Genome equivalents relative to E. coli genome (4,1 x 106 bp)

Gans et al., 2005:

~ 1.000 000genome equivalents~ 2 billion ORFs per cm3 soil

Gans et al. (2005) Science 309, 1387

2. Screening und Anwendung von Enzymen

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Der Baum des Lebens – enorme Diversität

2. Screening und Anwendung von Enzymen

EUCARYA

ARCHAEABACTERIA

1 change / 10 nt

Homo = manZea = maize

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Das Potential des Metagenoms

Kultivierte und bisher nicht kultivierte Organismen (=100%) verdanken ihre Existenz der DNA als Träger der genetischen Information

Metagenom: = Gesamtheit der genomischen Information von Mikroorganismen einer Lebensgemeinschaft oder eines Biotops

Der Zugang zum Metagenom erlaubt die Nutzung der gesamten BiodiversitätMetagenomics: Genomtechnologien, mit denen das Metagenom eines Habitats analysiert

werden kann

Potential:

• neue Enzyme und Biokatalysatoren (ca. 130 Enzyme in Produktionsverfahren)

• neue Stoffwechselwege (IP, höhere Ausbeute)

• neue bioaktive Wirkstoffe und Biomaterialien

2. Screening und Anwendung von Enzymen

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

Kb

610555450

375

295225

DNA M1 M2

Schleper C, Kletzin A, Lorenz P, Eck J et al. WO2004/018673

• Direkt extrahierte genomische DNA• DNA Aufreinigung zur Klonierung

2. Screening und Anwendung von Enzymen

Herstellung von Metagenomgenbanken

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

2. Screening und Anwendung von Enzymen

Herstellung von Metagenomgenbanken

Daniel, 2005, Nat. Rev. Micro. 3, 470

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

Case study: Alcohol Dehydrogenases (E.C.1.1.1.)

• Enzyme Library of novel and diverse Alcohol-Dehydrogenases

Platform for synthesis of chiral alcohols from ketonesby enantioselective reduction

Kataoka et al., 2003 AMB 62:437

2. Screening und Anwendung von Enzymen

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EvoSolution®: for novel BioActivesand novel Enzymes

Why are Alcohol Dehydrogenases important Enzymes for Chemical/Pharma Industry ?

• produce chiral alcohols through the asymmetric reduction of prochiral compoundsunder mild conditions (chemo-, regio- and stereo-selective, theoretical yield 100%)

• chiral alcohols are building blocks for pharmaceutical, agrochemical and chemicalindustries

• worldwide sales for enatiomer drugs (2009): > US$ 150 billion(biocatalysis up to 15-20%)

HIV ProteaseInhibitor

Patel 2004, Food Technol Biotechnol. 42: 305

• diastereoselective reduction

• reaction yield 95%

• diastereomeric purity of 98,2%

• enantiomeric excess of 99,4 %

2. Screening und Anwendung von Enzymen

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Whole-cell biocatalystcontaining: - ADH, - GDH or FDH- NAD(P)

O OH

>100 g/Lsubstrate input

<24h,No / very low amount

of cofactor,Pure aqueous reaction media

Broad substrate range

Robust and technicallyfeasible process

>95% conversion>99% ee

High productconcentration

• High expression• HCD fermentation• Lowest costs!

Novel Alcohol-Dehydrogenase platform

2. Screening und Anwendung von Enzymen

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Example from the new ADH-platform

R. Schulze, P. Lorenz, J. Eck, O. May, H. Gröger, H. Trauthwein, PCT Pat. Appl. WO2005103239, 2006.

specific activity substrate spectrumexpression levelinducednon-induced

ADH

R

>>100 U/mg(p-Cl-1-Phenylethanol)

R

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

p-Cl-A

cetoph

enon

m-Cl-A

cetop

henon

a,m-D

i-Cl-A

cetoph

enon

2-Octa

non

2-Dec

anon

Methyla

cetoac

etat

Ethylace

toace

tat

Cinnam

y alco

hol

Rel

. Act

ivity

[%]

R

Substrates

2. Screening und Anwendung von Enzymen

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O NAD(P)H OH

containingADH,GDH,

whole cell catalyst

Substrate concentration:>150 g/L >98% conversion

>75% yield>99.4% ee

4 Months from inquiry to delivery; Successful production campaigns

multi-ton process

A customer process

2. Screening und Anwendung von Enzymen

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Weiße Biotechnologie

Definition und Bedeutung der Weißen Biotechnologie

Screening und Anwendung von Enzymen• Enzyme im Alltag / das Metagenom als Quelle• Fallbeispiel: Alkoholdehydrogenasen

Neue Produkte der Weißen Biotechnologie

1

2

4

©B

RAI

N A

G

Designermikroorganismen• Das Paradebeispiel: Fermentative Vitamin B2 Produktion• 1,3 Propandiol Biosynthese in E. coli• Mikrobielle Produktion von Vorstufen des Artemisinins

3

Zusammenfassung5

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3. Designermikroorganismen

• Wildtypstämme(Wirkstoffe, Vitamine, AS)

Klassische(Mikro)biologie

• Stammentwicklungund Optimierung durchunspezifische Mutation und Selektion

• Precursor-gerichteteBiosynthese

• Biotransformation

• HeterologeExpressionvon Genen

• Pathway/Metabolic-engineering

• KünstlicheStoffwechselwege

• Host-optimisation byknock-in / knock-out

• WirtsstämmeWirkstoffe, Vitamine, AS, Fein- und Basischemikalien

• Strain DevelopmentGenetic engineering

Molekular-biologie

Ganzzellbiokatalysatoren, Designer BugsGMO

ProduktionsorganismenNon-GMO

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StärkeHydrolysate

MolkeUltrafiltrate

Melasse

Zucker

Silage

Agro-IndustrialNebenprodukte

als nachwachsendeRohstoffe

Screening geeigneter Mikroorganismen

Erzeugung von „Designer Bugs“

Fermentative Produktion von• Chemikalien

specialty / fine / bulk• Wirkstoffen• Materialien• Energiequellen

Prom enzyme1 enzyme2 enzyme3 enzyme4

Pathway Engineering• Engineering existierender Stoffwechselwege

Künstliche Pathways• Kombination existierender Pathways

3. Designermikroorganismen

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Sources: BRAIN AG, Schmid (2002); Biehl et al. (2004); www.biotechnologie.de

Product Segment BioProcess Production Market value Volume [t/a] [mill. €]

Cyclodextrins Speciality BioCatalysis 5.000 50Glutamate Food Fermentation 1.500.000 1.800

Lactic acid Food/Textile Fermentation 150.000 270Phenylalanine Food/API Fermentation 10.000 100Vitamin B12 Food/Cosmetics Fermentation 20 500Vitamin C Food/Feed Fermentation 80.000 640Penicilline API/Feed Fermentation 45.000 13.500Threonine Feed Fermentation 30.000 180

Lysine Feed Fermentation 700.000 1.400Enzymes Detergent Fermentation 2.500 500Acrylamide Base Chem. BioCatalysis 100.000 28PLA Polymers Fermentation 140.000 315

Selected Marketed White Biotech Products

3. Designermikroorganismen

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3. Designermikroorganismen

Das Paradebeispiel – Fermentative Vitamin B2 Produktion

Historie der Vitaminforschung

• Beginn 20. Jahrhundert: Biochemiker C. FunkForschungsgebiet: Mangelkrankheiten BeriBeri, Pellagra, Skorbut und Rachitis

• Vita + Amin (das Leben und Amine)

• Vitamin: sind für Mensch und Tier essentiell - Erfüllen als niedermolekulare prosthetische Gruppen im aktiven Zentrum katalytische Funktion

• Nomenklatur:

Fettlösliche Vitamin A

Antiskorbut Faktor Vitamin C

Wasserlösliches Vitamin B

• Bis 1941 wurden alle 13 heute bekannten Vitamine entdeckt

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3. Designermikroorganismen

1928-1967: 20 Nobelpreisträger in Zusammenhang mit Erforschung von Vitaminen ausgezeichnet

Fermentative Vitamin B2 Produktion

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Fermentative Vitamin B2 Produktion

3. Designermikroorganismen

Synonyme: Riboflavin, Lactoflavin, Ovoflavin, Lebensmittelfarbstoff E101, 7,8-Dimethyl-10-ribityl-isoalloxazin

Integraler Bestandteil der Coenzyme FMN (flavin adenine mononucleotide) und FAD (flavin adenine dinucleotide)

• hitzestabil

• lichtempfindlich

• als wasserlöslich beschrieben, ist aber relativ schlecht löslich(65 mg/l)

• Flavin (flavus = gelb)E106

Isoalloxazinring

Ribitolseitenkette

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3. Designermikroorganismen

Vitamin B2: Chemische Synthese

N

N

NH3C

H3C

O

ON

HH

OHH

OHH

OHH

CH2OH

NH2H3C

H3C

HH

OHH

OHH

OHH

CH2OH

NH

NH

NH

O

O O

O

NH

NH

O

O O

H

H

H3C

H3C

HH

OHH

OHH

OHH

CH2OH

NH

H3C

H3C NH2

H3C

H3C

HH

OHH

OHH

OHH

CH2OH

NH

N NC6H5

H2N

1 D-ribose2 H2/Pd C6H5-N2Cl

3,4-dimethylaniline

barbituric acid

alloxan

N-(2-amino-4,5-dimethylphenyl)D-1'-ribitylamine

aniline

riboflavin

1. Möglichkeit „Labormethode“(Kuhn und Karrer 1934/1935)

2. Möglichkeit „Technische Methode“(Tishler, Pfister et al. 1947)

DimethylanilineRibose

>60% yield

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Vitamin B2: Chemische Synthese

Bacillus transketolasemutant

3. Designermikroorganismen

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3. Designermikroorganismen

Mikrobielle Riboflavin Produktion

1940: Hefen als natürliche Hochproduzenten: Eremothecium ashbyi und Ashbya gossypii

1968: Stilllegung der fermentativen Anlage

1990: Fermentative Herstellung mit A. gossypii (Übernahme BASF von MSD)

2000: Roche Vitamins / DSM NP Fermentative Herstellung in B. subtilis

A. gossypii: WT produziert bereits 100 mg/g Biomasse Riboflavin-Kristalle in einer B. subtilis ü/n Kultur

20 µm

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First known example for a recombinant bug producing a small organic compound

The riboflavin biosynthesis pathway in bacteria. Bacillus gene names are underlined.

Recombinant production strains - Target: gene copy number

1983: B. subtilis VNIIGenetika 304/pMX45,

• deregulated purin metabolism

• deregulated riboflavin metabolism (ribC-mutation)

• Plasmid pMX45: encoding 10 kb rib-cluster from B. subtilis ribO-mutant

ribO ribTribAribD ribE ribHdereg.

ribO ribTribAribD ribE ribHdereg.

=> 4,5 g/l Riboflavin(25 h fermentation)

3. Designermikroorganismen

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First and prime example for a recombinant bug producing a small organic compound

Riboflavin crystals in aB. subtilis o/n culture

20 µm

Structure of Riboflavin (Vitamin B2)

Vitamin B2 Fact Sheet:• 1940: Ashbya gossypii: a natural overproducer

• 1983: First recombinant production in B. subtilis (4,5 g/l)

• 1990: A. gossypii fermentation process (BASF)

• 1996: Closure of chemical process (BASF)

• 2000: Roche Vitamins / DSM NP Fermentation in B. subtilis(Yield: >30 g/l)

• Production: 3.000 t / a

• 70% Feed, 30% Food

• Market leader

DSM NP (B. subtilis, Grenzach, Germany)

BASF (Ashbya gossypii, South Korea)

Hubei Guangji Pharmaceuticals (China)

3. Designermikroorganismen

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3. Designermikroorganismen

Mikrobielle Riboflavin Produktion

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Life

Cyc

le Im

pact

%

Global WarmingPotential

AcidificationPotential

EutrophicationPotential

Ozone CreationPotential

Cumulated EnergyConsumption

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Life

Cyc

le Im

pact

%

Global WarmingPotential

AcidificationPotential

EutrophicationPotential

Ozone CreationPotential

Cumulated EnergyConsumption

Hoppenheidt, K., W. Mücke, et al. (2004)

Chemisch-technisch FermentationGlukose Ausgangsstoff Glukose, Biomasse, Öle

23% Zuckergehalt, insgesamt 87%

8 Synthese-Stufen 1

Luftbelastung/Abfälle bis 36% geringer

Energieverbrauch bis 25% geringer

Abwasserbelastung um 2/3 reduziert

reichlich Organische Lösungsmittel keine

Max. 60% Ausbeute 80%

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1,3 Propanediol Biosynthesis in E. coli

Glucose

1,3 Propanediol

Glycerin

1,3 Propanediol:building block in production of polymers

OH

OHOH

OH

OH

3. Designermikroorganismen

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1,3 Propanediol

Glycerin

OH

OHOH

OH

OH

Microorganisms producing 1,3 PD fromGlycerol feedstock anaerobically (70 g/l):

KlebsiellaCitrobacterClostridumetc.

Nakamura and Whited, 2003, Curr. Opi. Biotechnol. 14, 454-459

1,3 Propanediol Biosynthesis in E. coli

3. Designermikroorganismen

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1,3 Propanediol Biosynthesis in E. coli

Saccharomyces cerevisiae Nakamura and Whited, 2003, Curr. Opi. Biotechnol. 14, 454-459

3. Designermikroorganismen

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1,3 Propanediol Biosynthesis in E. coli

Source: G. Whited, Genencor, BioTrans 2003

Metabolic / Pathway engineering of E. colilimit growthstreamline carbon flow by engineering/optimisationof pathway and enzymology> 36 target enzymes targeted for yield optimisation

1,3-PD Producer strain in 2003:135 g/ltr 1,3-PD from Glucose50% of carbon source (glucose) is used for 1,3-PD

0,55 mol/mol 1,3-PD from Glycerin0,63 mol/mol 1,3-PD from Glycerin with Glucose cofermentation

250 FTE

Microbial chemical factories !

3. Designermikroorganismen

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1,3 Propanediol Biosynthesis in E. coli

(DuPont, 2009)

Sorona®

Produktionskapazität pro Jahr: 1,3-Propandiol (PDO)

0

25

50

75

100

98 00 02 04 06 08 Jahr

Prod

uktio

n [ k

t /a]

Shell PDO (Gas, Öl) DuPont PDO (Öl - Degussa)DuPont Bio-PDO (Mais)

Terephtalic acid

3. Designermikroorganismen

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Microbial Production of Artemisinin-Precursors

Malaria: fact sheet• WHO: 247 million cases in 2006• kills more the 1 million people (every 30 sec a child)• parasite: Plasmodium falciparum• transmitter: infective female Anopheles mosquito• problem: resistant strains to almost all currently used drug therapies

Plasmodium falciparumfemale Anopheles mosquito

3. Designermikroorganismen

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Microbial Production of Artemisinin-Precursors

Treatment option: Artemisinin (sesquiterpen-lactone-endoperoxide) => problem: high price (factor 10 - 20), suppy (planting cycles)

Artemisia annuaEinjähriger Beifuss(China, India, Europe)

Artemisinin

Extracted from leave:content 0,1-0,4% DW

3. Designermikroorganismen

S. cerevisiae

??

E. coli

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Microbial Production of Artemisinin-Precursors

Ca. 150 mg/l AmorphadieneCa. 100 mg/l Artemisinic acid

Ro et al., 2006, Nature, 440, 940-943

1. Increase of Farnesyl-Pyrophosphate (FPP)- leveland decrease of sterol biosynthesis

2. Introduction of the amorphadiene synthase gene(ADS) from A. annua

3. Cloning of the Cytochrom P450 MO from A. annuaà 3-Step-Oxidation of amorphadieneleading to artemisinic acid

1.

2.

3.

JD. Keasling(Berkeley)

Three Steps to Artemisinic acid production in S. cerevisiae

3. Designermikroorganismen

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Microbial Production of Artemisinin-Precursors

Tsuruta et al., 2009, PLOS 4, e4489

E. coli S. cerevisiae A. annua

E. coli:+ process optimization=> 27,4 g/l amorpha-4,11-diene

mvaS mvaA

S. aureus

3. Designermikroorganismen

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Weiße Biotechnologie

Definition und Bedeutung der Weißen Biotechnologie

Screening und Anwendung von Enzymen• Enzyme im Alltag / das Metagenom als Quelle• Fallbeispiel: Alkoholdehydrogenasen

Neue Produkte der Weißen Biotechnologie

1

2

4

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RAI

N A

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Designermikroorganismen• Das Paradabeispiel: Fermentative Vitamin B2 Produktion• 1,3 Propandiol Biosynthese in E. coli• Mikrobielle Produktion von Vorstufen des Artemisinins

3

Zusammenfassung5

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Micobial Cellulose (MC) in Biomedical Application

4. Neue Produkte der Weißen Biotechnologie

Acetobacter/Gluconacetobacter xylinum

TEM, Hirai et al., 1999, ICR Annual Report 6, 28-29

Fact sheet:

• A. xylinum (1962), gram -, obligative aerob

• A. xylinum cell polymerizes up to 200.000 Glucose unit /s

• ribbon contains ca. 1000 glucan chains

• metabolically inert, highly pure extracellular deposit

• 4 enzyme functions for cellulose biosynthesisGlucosekinase: Glucose => Glucose 6PPhosphoglucomutase: Glucose 6 P => Glucose 1 PPyrophosphorylase: Glucose 1 P => UDP-GlucoseCellulose-Symthase (membrane): ß-1-4 Glucan

• substrates: glucose, mannitol, xylose

• static culture produce cellulosic surface mat

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Micobial Cellulose (MC) in Biomedical Application

4. Neue Produkte der Weißen Biotechnologie

Due to physical and mechanical properties MC is an ideal material for high quality wound dressing

Czaja, et al., 2007 Biomacromolecules, 8, 1-12

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Micobial Cellulose (MC): Treatment of chronic wounds and burns

4. Neue Produkte der Weißen Biotechnologie

Czaja, et al., 2007 Biomacromolecules, 8, 1-12

Study in Poland (second degree burns)

MC treated wounds:

• healed faster

• excellent molding to the wound surface

• moist environment

• reduces pain

• reduces scar formation

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Micobial Cellulose (MC): Cellulose tubes as blood vessel substitute

4. Neue Produkte der Weißen Biotechnologie

Fermentation:

• cellulose yield increases withoxygen ratio

• 7 days of fermentation

• silicone tube determines shape

Czaja, et al., 2007 Biomacromolecules, 8, 1-12

Bodin et al., 2007, Biotech. & Bioeng. 97, 1-12

Mechanical Properties:

• tubes sustain blood pressure of 250 mmHg (up to 880 mm at 100% O2)

Cell seeding:

• confluent layer of endothelial cellsonto lumen after 7 days

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5. Zusammenfassung

• Weisse Biotechnologie ist eine der Zukunftstechnologien und kann füreine Zukunft auch mit limitierten fossilen Rohstoffen sorgen(“Biologisierung der Chemieindustrie”)

• Neue Enzyme/Biokatalysatoren werden benötigt und die Metagenomtechnologie erlaubt den Zugang zur vollen Biodiversität

• Moderne Stammentwicklung kann zur effizienten Produktion von Wirkstoffen, Feinchemikalien und Basischemikalien eingesetzt werden

• Der weitere Erfolg der Weißen Biotechnologie hängt von derWirtschaftlichkeit bestimmter Prozesse und der Umsetzung wirklicherInnovationen ab

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PD Dr. Stefan Pelzer

[email protected]

www.brain-biotech.de

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