Forschung der Arbeitsgruppe Kara

Die Forschung der AG Kara strebt umweltfreundliche und hochproduktive Biotransformationen an, indem sie sowohl Biotechnologie und Biomaterialien als auch Chemie- und Reaktionstechnik in einer multidisziplinären Plattform kombiniert.

BIOKATALYSE UND BIOPROZESSTECHNIK

Unser Forschungsschwerpunkt ist die Optimierung enzymatischer Umsetzungen durch Substrat-, Biokatalysator-, Medium- und Verfahrenstechnik.
Wir erforschen alternative Reaktionswege, insbesondere für das Substrat-Engineering. Unser Ziel ist es, die Umweltbelastung im Vergleich zu etablierten Biotransformationen zu reduzieren. Weiterhin streben wir danach, die Produktivität der biokatalytischen Reaktionen zu erhöhen. Dazu evaluieren wir auch den Einsatz von Zweiphasensystemen, reinen organischen Lösungsmitteln oder lösungsmittelfreien Systemen und tiefen eutektischen Lösungsmitteln.

PRAXISORIENTIERT UND NACHHALTIG

Unsere Forschung ist praxisnah: Um den Anforderungen praktischer und wirtschaftlicher Biotransformationen gerecht zu werden, erforschen wir das Biokatalysator-Engineering. Beispielsweise betrachten wir die Immobilisierung und Modifizierung von Enzymen, um robuste Biokatalysatoren in einem industriell relevanten Umfeld zu etablieren - bei hohen Substrat- und Produktbeladungen und der Verwendung organischer Lösungsmittel. Die optimierten Reaktionsbedingungen, einschließlich aller genannten Aspekte werden mit der Verfahrenstechnik kombiniert. So entwickeln wir verbesserte Reaktorkonzepte, die im Batch-, Fed-Batch- oder im kontinuierlichen Modus betrieben werden.

BIOKATALYSE IN NICHT KONVENTIONELLEN MEDIEN

Die chemische Industrie steht derzeit vor der Wende von der klassischen Herstellung erdölbasierter Chemikalien zur nachhaltigen Synthese biobasierter Produkte. Dies erfordert eine ganzheitliche Betrachtung aller Aspekte, z. B. biogene Ausgangsstoffe, effiziente Biokatalysatoren, umweltverträgliche Verarbeitung und maßgeschneiderte „grüne“ Lösungsmittel.

Insbesondere das Design und die Wahl der Lösungsmittel sind von grundlegender Bedeutung, da viele Lösungsmittel reaktive Medien sind und synergistische Effekte bei einer chemischen Reaktion haben (z. B. Aktivierung/Desaktivierung eines Katalysators). Die Biokatalyse in nicht-konventionellen Medien (BNCM) hat sich zu einer einfachen Umschiffung der Schattenseiten der Verwendung von Wasser als Lösungsmittel und damit zu einem neuen Trend in Richtung nachhaltige Chemie entwickelt. In diesem Zusammenhang konzentriert sich unsere Forschungsgruppe auf die Anwendung alternativer Reaktionsmedien, die Zweiphasensysteme, die Verwendung organischer Lösungsmittel, reiner Substrate (lösungsmittelfreier Systeme) und Deep Eutectic Solvents (DES) umfassen, um den wirtschaftlichen und ökologischen Zwängen biotechnologischer Prozesse gerecht zu werden. Die ausgewählten grundlegenden und anwendungsorientierten Studien umfassen Analysen des Einflusses nicht-konventioneller Medien auf die katalytische Leistung von Enzymen durch die Verknüpfung von experimentellen Daten und Molekulardynamiksimulationen (MD), gefolgt von wissensorientiertem Solvent Engineering für effiziente biokatalytische Reaktionen.

  • Ausgewählte Veröffentlichungen
    • J.P. Bittner, N. Zhang, L. Huang, P. Domínguez de María, S. Jakobtorweihen, S. Kara. Impact of Deep Eutectic Solvents (DESs) and Individual DES Components on Alcohol Dehydrogenase Catalysis: Connecting Experimental Data and Molecular Dynamics Simulations, Green Chem., 2021. DOI: 10.1039/D1GC04059F
    • N. Zhang, F. Steininger, L.-E. Meyer, K. Koren, S. Kara. Can Deep Eutectic Solvents Sustain Oxygen-Dependent Bioprocesses? — Measurements of Oxygen Transfer Rates. ACS Sustainable Chem. Eng., 2021, 9, 8347-8353. DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c03547
    • M. Hobisch, M. M. C. H. van Schie, J. Kim, K. Røjkjær Andersen, M. Alcalde, R. Kourist, C. B. Park, F. Hollmann, S. Kara. Solvent-Free Photobiocatalytic Hydroxylation of Cyclohexane. ChemCatChem, 2020, 12, 4009-4013. DOI: 10.1002/cctc.202000512 
    • S.N. Chanquia, L. Huang, G. Garcia Linares, P. Domínguez de María, S. Jakobtorweihen, S. Kara. Deep Eutectic Solvents as Smart Cosubstrate in Alcohol Dehydrogenase-Catalyzed Reductions.  Catalysts, 2020, 10, 1013. DOI: 10.3390/catal10091013
    • M. Pätzold, S. Siebenhaller, S. Kara, A. Liese, C. Syldatk, D. Holtmann. Deep Eutectic Solvents as Efficient Solvents in Biocatalysis. Trends Biotechnol., 2019, 37, 943-959. DOI: 10.1016/j.tibtech.2019.03.007

MEHRSTUFIGE BIOKATALYSE

Die derzeitigen Verfahren zur Herstellung von Chemikalien erfordern eine material-, energie-, zeit- und raumaufwendige Isolierung und Reinigung von Reaktionszwischenprodukten, was zu einer erheblichen Abfallerzeugung führt. Daher müssen sauberere Prozesse durch die Integration von Produktionsschritten unter Einhaltung von Nachhaltigkeitskriterien etabliert werden. In diesem Zusammenhang ist die mehrstufige (Bio-)Katalyse eine attraktive Option zur organischen Synthese, da sie die Syntheserouten durch die Vermeidung von (Ent-)Schützung, die Beseitigung von Problemen mit Zwischenprodukten und die Verschiebung von Reaktionsgleichgewichten vereinfacht. Enzyme können sich mit zusätzlichen Enzymen, Chemokatalysatoren (z. B. Metall- und Organokatalysatoren) und Photokatalysatoren oder Licht zusammenschließen, um bio-biokatalytische, chemo-biokatalytische bzw. photo-biokatalytische Systeme zu bilden. Unser Team ist bestrebt, mehrstufige enzymatische Kaskaden zu entwerfen und technisch umzusetzen, die die oben genannten Kombinationen abdecken: Bio-Bio, Chemo-Bio und Photo-Bio.

  • Ausgewählte Veröffentlichungen
    • N. Zhang, B. Müller, T. Ørtoft Kirkeby, S. Kara, C. Loderer, Development of A Thioredoxin Based Cofactor Regeneration System for NADPH-dependent Oxidoreductases. ChemCatChem, 2022, DOI: 10.1002/cctc.202101625
    • J. Engel, U. T. Bornscheuer, S. Kara. Kinetics Modeling of a Convergent Cascade Catalyzed by Monooxygenase-Alcohol Dehydrogenase Coupled Enzymes. Org. Process Res. Dev., 2021, 25, 411-420. DOI: 10.1021/acs.oprd.0c00372
    • L. Huang, G. V. Sayoga, F. Hollmann, S. Kara. Horse Liver Alcohol Dehydrogenase-Catalyzed Oxidative Lactamization of Amino Alcohols. ACS Catal. 2018, 8, 8680-8684. DOI: 10.1021/acscatal.8b02355
    • C. Scherkus, S. Schmidt, U. T. Bornscheuer, H. Groger, S. Kara, A. Liese*. Kinetic Insights into ɛ-caprolactone Synthesis: Improvement of an Enzymatic Cascade Reaction. Biotechnol. Bioeng., 2017, 114, 1215-1221. DOI: 10.1002/bit.26258
    • L. Pesci, M. Baydar, S. Glueck, K. Faber, A. Liese, S. Kara. Development and Scaling-Up of the Fragrance Compound 4-Ethylguaiacol Synthesis via a Two-Step Chemo-Enzymatic Reaction Sequence. Org. Process Res. Dev., 2016, 21, 85-93. DOI: 10.1021/acs.oprd.6b00362

HYBRID-BIOMATERIALIEN

Hydrogele sind dreidimensional vernetzte Polymernetzwerke mit versatilen Eigenschaften, die von Biokompatibilität und Quellbarkeit, über antibakterielle Eigenschaften, bis hin zur Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften reichen können. Deshalb können Hydrogele in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern zum Einsatz kommen. Die Untergruppe „Hybrid Biomaterials“ nutzt diese Vielseitigkeit der Hydrogele für unterschiedlichste Anwendungen, wie (i) Enzymimmobilisierung, (ii) 3D-Druck, (iii) „Clean Meat“ und weitere (iv) biomedizinische Verwendungen wie Wirkstofffreisetzungssysteme. Dabei wird vor allem ein Augenmerk auf die Synthese und Charakterisierung gelegt. Mithilfe von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen können Hydrogele auf ihre spezifische Anwendung eingestellt werden. Für „Clean Meat“ können beispielsweise Hydrogele mit hohen Oberflächen hergestellt und als Scaffold zur Zellkultivierung genutzt werden.

  • Ausgewählte Veröffentlichungen
    • P. Petermeier, C. Fortuna, K. M. Hübschmann, G. N. Bidart, T. Tørring, D. Teze, D. H. Welner, S. Kara, Exploring the in Vitro Operating Window of Glycosyltransferase Pt UGT1 from Polygonum tinctorium for a Biocatalytic Route to Indigo Dye. ACS Sustain Chem Eng, 2021, DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c01536
    • J. Meyer, L.-E. Meyer, S. Kara, Enzyme immobilization in hydrogels: A perfect liaison for efficient and sustainable biocatalysis. Eng Life Sci, 2021, DOI: 10.1002/elsc.202100087
    • M. Hobisch, M. M. C. H. van Schie, J. Kim, K. R. Andersen, M. Alcalde, R. Kourist, C. B. Park, F. Hollmann, S. Kara, Solvent-Free Photobiocatalytic Hydroxylation of Cyclohexane. Chem Cat Chem, 2020, DOI: 10.1002/cctc.202000512
    • S. Vaupel, R. Mau, H. Seitz, U. Kragl, J. Meyer, 3D-Printed and Stimulus Responsive Drug Delivery Systems based on Synthetic Polyelectrolyte Hydrogels. to be submitted
    • M. Aßmann, A. Stöbener, C. Mügge, S. K. Gaßmeyer, L. Hilterhaus, R. Kourist, A. Liese, Selin Kara, Reaction engineering of biocatalytic (S)-naproxen synthesis integrating in-line process monitoring by Raman spectroscopy. Reaction Chem Eng, 2017, DOI: 10.1039/C7RE00043J

INTENSIVIERUNG VON BIOPROZESSEN

Um die Kosteneffizienz und damit den Erfolg biokatalytischer Reaktionen voranzutreiben, müssen Bioprozesse in ganzheitlicher Weise intensiviert werden, wobei der Medien- und Verfahrenstechnik besondere Aufmerksamkeit zu widmen ist. Aus medientechnischer Sicht sind Lösungsmittel bei der Isolierung und Konditionierung von Rohstoffen (Substraten), bei Reaktionsschritten (Upstream) und bei der Produktisolierung/-reinigung (Downstream) von entscheidender Bedeutung. Die verfahrenstechnischen Studien im Bereich der Biokatalyse werden heutzutage von kontinuierlichen Verfahren, insbesondere der Durchfluss-Biokatalyse, dominiert.

Sowohl freie als auch heterogenisierte Enzympräparate werden für kontinuierliche Durchfluss-Bioprozesse eingesetzt, die gegenüber dem Batch-Betrieb mehrere Vorteile bieten, wie z. B. (i) einfache Kapazitätserhöhung durch Verlängerung der Reaktionszeit oder den Bau von Serien- und/oder Parallelreaktoren, (ii) geringeres Risiko im Zusammenhang mit der Akkumulation und Lagerung gefährlicher Zwischenprodukte, da deren vorübergehende Mengen unterhalb der Sicherheitsgrenzwerte liegen, (iii) geringerer Aktivitätsverlust im Vergleich zur Verwendung immobilisierter Enzyme unter Rührbedingungen, (iv) einfaches Einstellen und Überwachen der Reaktionsparameter (Temperatur, Druck, Durchflussmenge), was zu zuverlässigeren und reproduzierbaren Prozessen führt, (v) hohes Verhältnis von Wärmeübertragungsfläche zu Produktvolumen, (vi) gute Wärmeübertragungseigenschaften, die sich ideal zur Optimierung der Reaktionsbedingungen eignen, und (vii) effizientes Mischen. Unsere Forschungsgruppe umfasst im Bereich des integrierten Downstream-Processing den Einsatz von (i) hydrophoben, Deep Eutectic Solvents, (ii) Adsorber-/Ionenaustauschharzen und (iii) die selektive Ausfällung/Kristallisation von Zielprodukten.

  • Ausgewählte Veröffentlichungen
    • L. E. Meyer, P. de Santis, B. F. Hauge, T.s Müller Kvorning, S. Kara ,On the continuous production of unspecific peroxygenase (UPO) catalyzed reactions – a case study. to be submitted
    • M. Hobisch, S. Kara, to be submitted
    • N. Zhang, F. Steininger, L.-E. Meyer, K. Koren, S. Kara. Can Deep Eutectic Solvents Sustain Oxygen-Dependent Bioprocesses? —Measurements of Oxygen Transfer Rates. ACS Sustainable Chem. Eng. 2021, 9, 8347–8353. DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c03547
    • P. de Santis, L.-E. Meyer, S. Kara. The rise of continuous flow biocatalysis – fundamentals, very recent developments and future perspectives. React. Chem. Eng. 2020, 5, 2155–2184. DOI 10.1039/D0RE00335B
    • L.-E. Meyer, K. Plasch, U. Kragl, J. von Langermann. Adsorbent-Based Downstream-Processing of the Decarboxylase-Based Synthesis of 2,6-Dihydroxy-4-methylbenzoic Acid. Org. Process Res. Dev. 2018, 22, 963–970. DOI 10.1021/acs.oprd.8b00104

LEITUNG

Prof. Dr. Selin Kara
Adresse
Callinstraße 3-9
30167 Hannover
Gebäude
Raum
161
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