Adaptation von heterologen Cytochromen P450 an pflanzliche Expression und Membranumgebung zur Verbesserung der biokatalytischen Funktion

• Antragsteller: Iurii Sheludko, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie ; Strukturbiologie ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516587177

Unser Projekt konzentriert sich auf die Optimierung der Bedingungen für die effiziente Expression heterologer membrangebundener Cytochrom-P450-Monooxygenasen (CYPs) in Pflanzenzellen und die Untersuchung der molekularen und strukturellen Mechanismen ihrer Funktion in verschiedenen pflanzlichen Membranumgebungen und Scaffolding-Strukturen. Dies ermöglicht die Entwicklung einer robusten und nachhaltigen Plattform für die hocheffiziente Produktion von funktionell aktiven CYPs zur gezielten Modulation von Stoffwechselwegen, zum schnellen Testen von Substraten, zur Erhöhung der Biodiversität von Naturstoffen und zur präparativen Biotransformation von wertvollen Prodrug-Molekülen synthetischen und natürlichen Ursprungs. Wir planen, die Akkumulation fremder CYPs in transienten nuklearen und konstitutiven Plastom-Expressionssystemen zu verbessern, indem wir genetische Kassetten verwenden, die erhöhte Transkriptionsraten und verbesserte Translationskapazität bieten. Um die Funktion heterologer CYPs in einer fremden Membranumgebung zu verbessern, werden wir die molekularen Strukturen der nativen CYP-Transmembrandomäne und heterologer Transportsignale untersuchen und optimieren, um sie an das entsprechende subzelluläre Kompartiment anzupassen. Wir werden die Vorteile von Scaffolding oder Clusterisierung von CYPs für Enzymaktivität, Stabilität und Produktausbeute betrachten. Das effizienteste Expressionssystem soll validiert werden, indem eine präparative Biotransformation von pharmazeutisch wertvollen Prodrug-Molekülen und eine skalierbare Synthese von neuartigen Indican-Derivaten durchgeführt werden. Die Umsetzung des Projekts wird zum Verständnis der Transportmechanismen von Chloroplastenproteinen und der CYP-Funktionalität in fremden Membranumgebungen und Scaffolds beitragen und eine Möglichkeit für die skalierte biokatalytische Oxidation von Molekülen für die pharmazeutische oder chemische Industrie bieten. Als Ergebnis erwarten wir, für ein pflanzliches CYP-Expressionssystem eine Produktivität zu erreichen, die die von Hefe- oder tierischen Zellen übertrifft. Die Entwicklung der pflanzenbasierten Plattform für die enzymatische Synthese von Chemikalien, die täglich von Millionen Menschen weltweit verwendet werden, bringt wirtschaftliche, soziale und ökologische Vorteile. Die neuen Methoden können die traditionell verwendeten chemischen Verfahren ersetzen, was zu einem geringeren Energieaufwand und einer Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen führt. Die Verwendung von enzymkatalytischen Systemen auf Wasserbasis mildert die Auswirkungen von herkömmlichen Lösungsmitteln, toxischen Zwischenprodukten und anorganischen Katalysatoren und verringert die Notwendigkeit ihrer Nutzung, Eindämmung und Entsorgung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen