Industrie + Technik

Ein Start-up aus Potsdam-Golm will auf Basis von Naturstoffen neue Moleküle für die Medikamentenentwicklung erschaffen – und Entwicklungszyklen verkürzen. Dazu nutzt es eine neue Technik.Fast die Hälfte aller zugelassenen Medikamente lässt sich auf Naturstoffe zurückführen. Deren großer Vorteil: Sie haben sich evolutionär über Milliarden von Jahren mit den Lebewesen entwickelt. Doch nur etwa drei Prozent aller Medikamente sind unveränderte Naturstoffe. Hier wird die Herausforderung deutlich: Die meisten Naturstoffe eignen sich nicht zum direkten Einsatz im Körper und lassen sich meist nicht wirtschaftlich synthetisieren.Das Start-up Kez Biosolutions möchte dies ändern und das katalytische Können der Natur mit der Variabilität chemischer Synthese kombinieren. Dies soll bisher nicht nutzbare Naturstoffe für die Medikamentenentwicklung zugänglich machen und therapeutisch angewendete Naturstoffe so modifizieren, dass sie neue Funktionen bekommen.Mit diesem Anspruch haben Alexander Rittner, Biochemiker mit Kenntnissen in Protein-Engineering, und Jan Degen, Wirtschaftsinformatiker und Unternehmer, Kez Biosolutions im Januar 2022 gegründet. Die Gründer verstärkt Mirko Joppe, Employee Number One, den sie aus Hochschulzeiten kennen (<link href="#nadc20234132051-fig-0001">Foto).<figure xml:id="nadc20234132051-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/1KuFlLy6RWiWhT8TjJmt"><figcaption><label>Abb.1: </label>Das Kez-Biosolutions-Team: Mirko Joppe, Alexander Rittner und Jan Degen (v.l.). Foto: <a href="https://kez.bio" target="_blank">kez.bio</a></figcaption></figure></figure><h2 type="main">Die Grundlage: Polyketide</h2>„Wir folgen der These“, sagt Rittner, „dass für jedes biologische Target ein Naturstoff existiert.“ Dieser müsse nur gefunden und an seine neue Anwendung angepasst werden. In dieser Definition sind Naturstoffe (natural products) kleine organische Moleküle, meistens Sekundärmetaboliten von Mikroorganismen, die für ihren Wirt oder Produzenten einen Vorteil gegenüber Konkurrenten schaffen.Alle diese Substanzen müssen eine biologische Funktion haben, ansonsten würde kein Lebewesen den Energieaufwand der Produktion in Kauf nehmen. Ein biologisches Target bezeichnet den Ansatzpunkt eines Wirkstoffs, meistens ein Enzym oder Protein, das durch fehlerhafte Funktion eine Krankheit verursacht oder im Fall einer Infektionskrankheit überlebenswichtig für den Infektionskeim ist.Das Start-up fokussiert sich bei der Entwicklung primär auf die Naturstoffklasse der Polyketide und hybride Sekundärmetaboliten mit polyketidischem Anteil. Diese umfassen mehr als 10 000 Verbindungen mit vielseitiger molekularer Struktur (Abbildung). Zudem wirken sie gegen Bakterien, Pilze, Parasiten oder Krebszellen, und sie modulieren das Immunsystem.Beim natürlichen Herstellungsprozess sind zwei Aspekte wichtig: Er nutzt ausschließlich einfache Ausgangssubstanzen und baut komplexe dreidimensionale Kohlenstoffgerüste. „Eine solche Katalyse ist der Traum eines jeden Synthetikers“, sagt Rittner. Dies sei auf unbestimmte Zeit nicht wirtschaftlich durch chemische Prozesse zu ersetzen. Grund dafür sind biomolekulare Fertigungsmaschinen, die Polyketidsynthasen, die wie am Fließband Schritt für Schritt Moleküle verändern (Abbildung).Hier könnte die Unternehmensgeschichte auch schon enden: Für jede Krankheit gibt es in der Natur ein Medikament. „Glücklicherweise für uns als Unternehmen sind Mikroorganismen total egoistisch,“ sagt Joppe, „sie handeln nur zu ihrem eigenen Vorteil und denken nicht daran, ihre Wirkstoffe an Menschen anzupassen. Daher braucht es Derivatisierung und unsere Plattformtechnologie.“<h2 type="main">Das Produkt: Plattformtechnik</h2>Ziel des Start-ups ist ein Verfahren, welches das Können der Natur mit den Möglichkeiten der modernen Synthesechemie kombiniert, um einen neuen Weg der Medikamentenentwicklung zu etablieren. Im Kern bedeutet dies: Am <link href="#nadc20234132051-fig-0002">Polyketidgerüst lassen sich an allen geraden Positionen (Abbildung, grüne Punkte) neue Funktionen und Elemente direkt während der Biosynthese installieren und dadurch indirekt ungerade Positionen (Abbildung, blaue Punkte) passgenau durch Semisynthese erschließen.<figure xml:id="nadc20234132051-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/65w3jbNUTAiGoxeyXUBW"><figcaption><label>Abb.2: </label>Polyketidbiosynthese des Arzneistoffs Erythromycin1) und ein zugelassenes polyketidbasiertes Medikament: das Antibiotikum Clarithromycin.</figcaption></figure></figure>Dies geschieht während des Fermentationsprozesses mit optimierten Produktionsstämmen und den eigens entwickelten Fermentationszusätzen. Ein Entwicklungszyklus umfasst die Produktion vieler Naturstoffderivate sowie die Selektion der vielversprechendsten Kandidaten, und zwar anhand ihrer spezifischen Targetinteraktion und für die Anwendung im Körper geeigneter Moleküleigenschaften. Durch Wiederholung des Zyklus soll schrittweise und in kurzer Zeit der optimale Wirkstoffkandidat für neue Therapien entstehen.Die Technik soll bei allen Industriestämmen und Polyketidwirkstoffen universell einsetzbar sein und ist damit eine neue Plattform für New-to-Nature-Wirkstoffmoleküle. Das Potenzial hat die Gründer dazu bewogen, sich frühzeitig selbstständig zu machen, um jegliches geistiges Eigentum an der Technik exklusiv im Unternehmen zu halten. „Wir fokussieren uns auf die Entwicklung und Perfektionierung der Plattformtechnologie, anstatt uns auf das Glück zu verlassen, mit einem oder wenigen Wirkstoffkandidaten erfolgreich zu sein“, sagt Degen, „unser Produkt wird der Prozess.“<h2 type="main">Entwicklung durch Kooperation</h2>Die Time-to-Market hat für das junge Unternehmen höchste Priorität. Daher laufen alle technischen, schutzrechtlichen und unternehmerischen Prozesse parallel. Es hat mit Eigenmitteln direkt losgelegt und ist die ersten Schritte als unabhängiges Unternehmen gegangen. Degen sagt: „Unser Standort in Potsdam-Golm tut sein Übriges, und wir werden mit subventioniertem Laborraum und einer hervorragenden Wirtschaftsförderung in Brandenburg unterstützt.“Kez Biosolutions will das Team um eine:n promovierte:n Mikrobiolog:in, Studierende und Auszubildende erweitern. Derzeit wird eine erste Investmentrunde vorbereitet. Diese soll die Marktreifung der Plattformtechnik finanzieren und neue Perspektiven in das Start-up holen.Entscheidend für den Erfolg werden Kooperationen und Partnerschaften sein – sowohl mit der Academia als auch mit der Industrie. Insbesondere andere Start-ups aus der Bioinformatik sind Partner, die durch Machine-Learning-Prozesse oder Omics-Methoden Informationen zum möglichen Verhalten von Wirkstoffkandidaten im Organismus liefern. Diese Informationen ergänzen den Prozesszyklus und bestimmen Auswahlkriterien vor Beginn einer weiteren Iteration.„Wir wollen diejenigen sein, die die theoretischen Konzepte und computergestützten Modellierungen in reale Moleküle übersetzen und somit Wirkstoffkandidaten erschaffen, deren Risiko, in den klinischen Phasen zu scheitern, signifikant verringert ist“, resümiert Rittner. Der Prozess der Medikamentenentwicklung soll so kostengünstig werden, dass sich in Zukunft auch Krankheiten heilen lassen, für die bislang aus wirtschaftlichen Gründen keine Behandlungsmethoden zur Verfügung standen.Der Biochemiker Alexander Rittner gehört zu den Gründern von Kez Biosolutions. <a href="https://www.kez.bio" target="_blank">www.kez.bio</a><ul class="references" xml:id="nadc20234132051-bibl-0001" style="numbered" cited="no"><li xml:id="nadc20234132051-bib-0001">1 A. Rittner, Engineering Animal Fatty Acid Synthase Towards Polyketide Synthases (Dissertation, Universität Frankfurt am Main)</li></ul>

Gründer

Medikamente aus Naturstoffen

Ein Start-up aus Potsdam-Golm will auf Basis von Naturstoffen neue Moleküle für die Medikamentenentwicklung erschaffen – und Entwicklungszyklen verkürzen. Dazu nutzt es eine neue Technik.Fast die Hälfte aller zugelassenen Medikamente lässt sich auf Naturstoffe zurückführen. Deren großer Vorteil:...

Wie biobasierte und bioabbaubare Kunststoffe im Bioreaktor entstehen, lässt sich mit Photonendichtewellenspektroskopie beobachten. Ein Beispiel ist die Produktion von Polyhydroxyalkanoaten; die mikrobielle Synthese dieser Polymere lässt sich so inline untersuchen.Polyhydroxyalkanoate (PHA) sind Polyester, die von Bakterien als Kohlenstoff- und Energiespeicherstoffe akkumuliert werden. Aufgrund ihrer vielseitigen Strukturen könnten PHA-Produkte herkömmliche Kunststoffanwendungen ersetzen, darunter Verpackungen, Einwegbesteck, Trinkflaschen, Beschichtungen und medizinische Anwendungen wie Implantate (bioresorbierbare Gerüste, etwa gestricktes Monofilamentgewebe).Umweltverschmutzung durch PHA-Artikel ist unwahrscheinlich, da PHAs vollständig biologisch abbaubar sind und dieser Abbau keine Mikro- oder Nanokunststoffrückstände hinterlässt.Einige Bakterienarten, etwa Ralstonia eutropha, können bis zu 90 Prozent ihres Trockengewichts als PHA akkumulieren.1) Die PHA-Bioprozessentwicklung mit R. eutropha aus nachwachsenden Rohstoffen und biogenen Reststoffen an der TU Berlin beschreibt der Artikel „Bioökonomie: Aus Resten schöpfen“ in den Nachrichten aus der Chemie.2)<h2 type="main">Im Prozess detektieren</h2>Die qualitative und quantitative Kenntnis der PHA-Bildung ist entscheidend, um einen Produktionsstamm zu wählen und die Prozessperformance zu charakterisieren.Offline-Messungen, etwa über Gaschromatographie, erfordern in der Regel eine zeitaufwendige Probenvorbereitung. Bei Atline-Messungen wird eine Probe aus dem Prozess sofort analysiert, etwa über die Fluoreszenzfärbung mit Flusszytometrie. Mit den Messergebnissen lässt sich ein Prozess bis zu einem gewissen Grad kontrollieren.3)Inline- (direkt im Prozess) oder Online-Messungen (in einem Bypass) liefern dagegen Echtzeitinformationen. Sie ermöglichen, einen Prozess direkt zu steuern und zu optimieren. Solche Methoden waren jedoch für das Monitoring der PHA-Produktion bisher nicht verfügbar.<h2 type="main">Photonendichtewellen</h2>Mit Photonendichtewellen(PDW)-Spektroskopie lassen sich hochkonzentrierte Dispersionen ohne Verdünnen kalibrationsfrei inline untersuchen. Dazu wird intensitätsmoduliertes Laserlicht in die Probe eingestrahlt, das aufgrund von Mehrfachlichtstreuung eine Photonendichtewelle bildet. Diese Änderung der Photonenzahl über die Zeit ist detektierbar. Aus der Abhängigkeit der Photonendichtewelle von Ort und Modulationsfrequenz lassen sich der Absorptions- (µa) und der effektive Streukoeffizient (µs‘) unabhängig voneinander bestimmen.4,5)<h2 type="main">Mit optischen Fasern messen</h2>Einen Messaufbau für die PDW-Messung in einem offenen System über variablen Faserabstand zeigt die <link href="#nadc20234132818-fig-0001">Abbildung S. 30, links: Ein hochfrequentes intensitätsmoduliertes monochromatisches Licht wird über eine optische Faser in die Dispersion geleitet. Eine PDW beschreibt dabei die zeitliche und räumliche Änderung der Photonenzahl in einem definierten Volumen und breitet sich kugelförmig in der Probe aus. Abhängig vom Abstand und der Modulationsfrequenz ändert sich die Intensität und Phase der PDW innerhalb der Dispersion.<figure xml:id="nadc20234132818-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/qQt5s6BQXmcfJAJZdwbg"><figcaption><label>Abb.1: </label>Photonendichtewellen-Spektrometer-Aufbau: Laser-Treiber, Weiche (Bias-Tee), Laserkopf, Netzwerkanalystator (NWA), Lawinenphotodiodendetektor (Avalanche Photodiode, APD), Verschiebetisch und Lichtwellenleiter.</figcaption></figure></figure>Zur Messung wird in einem Abstand r zur Emissionsfaser eine weitere optische Faser für die Detektion eingesetzt, die das Licht auffängt und zum Detektor leitet. Die gemessenen Größen korrelieren mit dem Phasen- und dem Intensitätskoeffizienten (kφ und kI). Damit lassen sich die optischen Koeffizienten µa und µs‘ berechnen.Um PDW-Spektroskopie korrekt zu nutzen, müssen einige Bedingungen eingehalten werden: Der effektive Streukoeffizient der Dispersion muss deutlich größer sein als der Absorptionskoeffizient (µs´ &gt;&gt; µa). Weiterhin ist eine minimale Streuung von zirka 0,1 mm–1 notwendig, da Mehrfachstreuung für die Ausbreitung der PDW und deren theoretische Beschreibung nötig ist.Für die Messung in geschlossenen Systemen wie Bioreaktoren gibt es Prozesssonden, die das Licht in verschiedenen Abständen r zur Emissionsfaser detektieren und so eine Berechnung der optischen Koeffizienten µa und µs‘ ermöglichen. <link href="#nadc20234132818-fig-0002">Abbildung S. 30, rechts, zeigt ein kommerziell erhältliches PDW-Spektrometer, Inline-Prozesssonden und eine im Bioreaktor integrierte Sonde.<figure xml:id="nadc20234132818-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/nlrFUVpTaC5v8HkI3CSj"><figcaption><label>Abb.2: </label>Instrumente für die Photonendichtewellen-Spektroskopie in Bioreaktoren. Links oben: Spektrometer von PDW Analytics; unten: optische Fasern mit Kopplungen für Anschluss der Sonde an das Spektrometer (links) und Faserenden der Sonden zur Kopplung mit dem Spektrometer. Mitte: Inline-Prozesssonden mit 25 mm (links) und 19 mm Durchmesser. Rechts: 25-mm-Sonde integriert über einen DN25-Ingold-Stutzen im Deckel eines 7-Liter-Bioreaktors.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Prozessende in Echtzeit erkennen</h2>Die PDW-Spektroskopie wurde als prozessanalytische Technik im PHA-Produktionsprozess mit R. eutropha evaluiert.6,7) Ein typischer Produktionsbatch ist hierbei in zwei Phasen unterteilt (<link href="#nadc20234132818-fig-0003">Abbildung links): In der ersten Phase (Wachstumsphase) sind alle Nährstoffe vorhanden, die für das Zellwachstum notwendig sind, während in der zweiten Phase (PHA-Produktionsphase) Entfernen des Stickstoffs dazu führt, dass die Zellen den Kohlenstoffüberschuss im Medium als PHA speichern.<figure xml:id="nadc20234132818-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Q2U4TNXiQRK2RxTGhg7P"><figcaption><label>Abb.3: </label>Photonendichtewellen-Spektroskopie im Produktionsprozess für Polyhydroxyalkanoate (PHA). Phase 1: Bakterienwachstum, Phase 2: PHA-Produktion, Phase 3: überschüssige Prozesszeit. CDW: Gesamtzelltrockengewicht, RCDW: Restzelltrockengewicht, : µa: Absorptionskoeffizient, µs‘: effektiver Streukoeffizient.</figcaption></figure></figure>Während der ersten Phase steigen das Gesamtzelltrockengewicht (cell dry weight, CDW) und das Restzelltrockengewicht (residual cell dry weight, RCDW) exponentiell. Das RCDW beschreibt das Gewicht der Biomasse ohne PHA. In der zweiten Phase stagniert das RCDW, das CDW steigt jedoch aufgrund der Gewichtszunahme durch die PHA-Akkumulation weiter.Mit der PDW-Spektroskopie lassen sich die optischen Koeffizienten µa und µs‘ in Echtzeit messen. Die Unterteilung des Prozesses in zwei Phasen ist auch anhand der PDW-Signale zu erkennen: Während in der ersten Phase beide Koeffizienten exponentiell zunehmen, stagniert µa in der zweiten Phase, während µs‘ weiter steigt. Anschließend folgt eine dritte Phase, in der weder µa noch µs‘ einen Trend zeigen – die überschüssige Prozesszeit ist erkennbar.Mit mehreren Batches lässt sich das µs‘-Signal mit dem offline bestimmten CDW korrelieren und das µa-Signal mit dem RCDW. Damit ergeben sich Softsensoren, die CDW, RCDW und PHA in Echtzeit anzeigen. Diese Informationen über prozessrelevante Kenngrößen dienen zur Prozesssteuerung.Eine einfache Möglichkeit, Prozesse zu steuern, ist das Erkennen des Prozessendes in Echtzeit. So lässt sich die Kultur frühzeitig ernten, und die Bioreaktoren laufen nicht unnötig weiter. Weiterhin lässt sich µs‘ nutzen, um die Zugabe der Kohlenstoffquelle in einem Fed-Batch-Prozess (Zulaufverfahren) manuell zu steuern.In Zukunft soll der Prozess über die optischen Koeffizienten automatisch kontrolliert werden: Das µa-Signal bestimmt, wann Stickstoff, und das µs‘-Signal, wann Kohlenstoff zugegeben wird.Den Beitrag haben Björn Gutschmann, Marvin Münzberg und Sebastian L. Riedel verfasst. Gutschmann ist Doktorand am Fachgebiet Bioverfahrenstechnik (FG BVT) der TU Berlin. Er arbeitet an der Prozessentwicklung zur PHA-Produktion und testet neue prozessanalytische Techniken. Münzberg ist promovierter Chemiker und Nachwuchsgruppenleiter bei InnoFSPEC an der Universität Potsdam. Er beschäftigt sich mit optischen Prozessanalysetechniken und der Weiterentwicklung der Photonendichtewellen-Spektroskopie. Riedel ist promovierter Biotechnologe und Gruppenleiter am FG BVT der TU Berlin. Er arbeitet an der Bioprozessentwicklung und -kontrolle für die Herstellung von PHA-Biopolymeren aus nachwachsenden Roh- und Reststoffen.<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Photonendichtewellen(PDW)-Spektroskopie erfasst Absorptions- und Streueigenschaften einer Dispersion in Echtzeit.PDW-Spektroskopie im Bioprozess zur Polyhydroxyalkanoatproduktion zeigt das Bakterienwachstum und die Produktbildung.<ul class="references" xml:id="nadc20234132818-bibl-0001" style="numbered" cited="no"><li xml:id="nadc20234132818-bib-0001">1 S. L. Riedel, C. Brigham, Byproducts from Agriculture and Fisheries, (Hrsg: B. K. Simpson, A. N. A. Aryee, F. Toldrá), Wiley, Chichester 2019, 523–544</li><li xml:id="nadc20234132818-bib-0002">2 S. L. Riedel, S. Junne, Nachr. Chem. 2020, 68(11), 38–40</li><li xml:id="nadc20234132818-bib-0003">3 M. Koller, A. Rodríguez-Contreras, Eng. Life Sci. 2015, 15, 558–581</li><li xml:id="nadc20234132818-bib-0004">4 L. Bressel, R. Hass, Solid State Development and Processing of Pharmaceutical Molecules, (Hrsg: M. Gruss), Wiley, Chichester 2021, 271–288</li><li xml:id="nadc20234132818-bib-0005">5 R. Hass, D. Munzke, S. Vargas Ruiz, J. Tippmann, O. Reich, Anal. Bioanal. Chem. 2015, 407, 3313–3323</li><li xml:id="nadc20234132818-bib-0006">6 B. Gutschmann, T. Schiewe, M. T. H. Weiske et al., Bioengineering 2019, 6, 85</li><li xml:id="nadc20234132818-bib-0007">7 B. Gutschmann, M. Maldonado Simões, T. Schiewe et al., Microb. Biotechnol. 2022, doi: 10.1111/1751–7915.14104</li></ul>

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