KI-gestützte Entwicklung von neuen technischen Enzymen

Funktionelle Proteine sind zentrale Komponenten zahlreicher industrieller Prozesse und Produkte und leisten damit einen wichtigen Beitrag zur Wertschöpfung in der Bioökonomie. Sie ermöglichen nachhaltige und ressourcenschonende Lösungen in unterschiedlichen Anwendungsfeldern. Dazu zählen unter anderem die Lebensmittelproduktion (z. B. Käseherstellung, Fermentation, Saftklärung und Gewebemazeration), der Pflanzenschutz, medizinische Anwendungen sowie biohybride Systeme, etwa in Sensorik, künstlicher Photosynthese oder synthetischer Chemie.

Während bisher überwiegend natürlich vorkommende Proteinsequenzen genutzt wurden, eröffnen Fortschritte in der Strukturaufklärung, im Verständnis von Struktur-Funktions-Beziehungen sowie im gezielten Protein-Engineering – zunehmend unterstützt durch KI-basierte Methoden – neue Möglichkeiten zur rationalen Entwicklung funktioneller Proteine.

Mit der Verfügbarkeit solcher in-silico-Designmethoden steigt zugleich der Bedarf an geeigneten Screening-Strategien. Obwohl die Zahl der generierten Kandidaten häufig geringer ist als bei klassischen evolutiven Ansätzen, müssen diese dennoch experimentell überprüft werden. Unabhängig von der verwendeten Designmethode werden die Proteinvarianten im Labor hergestellt und funktional charakterisiert, bevor sie in weitere Schritte der Produktentwicklung, wie Formulierung und Scale-up, überführt werden.

Das Ziel des Projektes SCREENTECH  ist es eine schnellere und zuverlässige in vitro-Bewertung von Proteinkandidaten in hochauflösenden Assays zu ermöglichen. Anbieter und Nutzer von KI-gestütztem Proteindesign sollen im Prozess der Produkt- und Kandidatenentwicklung sollen in die Lage versetzt werden den Workflow beginnend von der DNA-Sequenz bis zur Kandidatenauswahl sowie der Funktionalitätsbewertung als auch Erzeugung von Trainingsdaten zur Modellentwicklung erheblich zu verbessern. Die einzigartige Expertise des Fraunhofer IME im Bereich der In vitro Transkription-Translation (IVTT) Lysat-Entwicklung soll in Kombination mit den Kompetenzen bei der Assay-Entwicklung und Automatisierung dazu genutzt werden, um erstmalig einen IVTT-Lysat-basierten Screening-Ansatz zu entwickeln. Diese neue Plattform basiert auf dem lizenzfreien und Nahrungsmittel-kompatiblen Open Pichia-Hefesystem, welches die funktionelle Expression von rekombinanten Proteinen (einfache und vor allem komplex-gefaltete) in Kombination mit innovativen spektroskopischen Assay-Formaten in einem integrierten Workflow ermöglichen soll. Die vorgeschlagene, leistungsfähige Komplettlösung für das Proteinkandidaten-Screening ist als frei von gentechnisch veränderten Organismus (GVO-frei) klassifiziert und ermöglicht Industriepartnern im Bereich KI-gestütztes Proteindesign die kritische Entwicklungshürde beim Übergang von in silico-Design zur tatsächlichen funktionellen Evaluierung zu überwinden.

Durch die Bereitstellung der Plattform werden Unternehmen unterstützt zukünftig schneller und kosteneffizienter bessere technische Enzyme für Anwendungen in allen Lebensbereichen und industriellen Anwendungsfeldern bereitzustellen.