Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB
Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB

Biokatalytische Oxyfunktionalisierung

Maßgeschneiderte Biokatalysen – für pharmazeutische Wirkstoffe, Synthesebausteine und Feinchemikalien

Selektive Oxyfunkionalisierungen gehören zu den Schlüsselreaktionen in der modernen Wirkstoffsynthese. Mit unspezifischen Peroxygenasen (UPOs) realisieren wir regio-  und stereoselektive Hydroxylierungen, Epoxidierungen sowie N-/O-Dealkylierungen und entwickeln robuste, skalierbare Synthesen für Wirkstoffe, Metaboliten, chirale Synthesebausteine und Feinchemikalien. Unser Leistungsportfolio umfasst Enzymauswahl, Reaktions- und Prozessoptimierung, Scale-up und Downstream-Strategien sowie umfassende Analytik. Optimierte Biokatalysen übertragen wir zuverlässig vom Milligramm-Screening in den Grammbereich, während wir Produktidentität und Reinheit sichern. Neben der Produktqualität steht bei uns besonders die Etablierung ressourcenschonender Prozesse im Fokus.

Charakteristika und Nutzungspotentiale der Technologie

  • Breites Substratspektrum u.a. aliphatische, aromatische und heterozyklische Verbindungen
  • Direkte Oxyfunktionalisierung nicht‑aktivierter C‑H‑Bindungen
  • Punktgenaue Modifikation durch hohe Chemo-, Regio- und Stereoselektivität
  • Direkter Zugang zur Herstellung von Wirkstoffmetaboliten
  • Late-stage-Funktionalisierung komplexer Naturstoffe (z.B. Steroide, Terpene)
  • Hochdurchsatz-Screening für SAR-Studien unter Nutzung der katalytischen Diversität

Wir setzen unsere Kompetenzen für Ihre Forschungsziele ein.

Unser Beitrag zu Ihrem Projekt

  • In-silico-Design & zellfreie Expression von UPOs und Varianten für Funktionsanalysen
  • Auswahl geeigneter UPO-Kandidaten für synthetische Zielreaktion
  • Entwicklung und Optimierung von Reaktionsbedingungen
  • Skalierung bis in den Gramm-Maßstab und Isolierung von Produkten
  • Analytische Support: Methodenentwicklung, Bilanzierung, Strukturaufklärung
 

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Zu unserem Angebot für Industrie
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NGD: Next Generation Drugs

Biotechnologisch aktivierte Wirkstoffe – maßgeschneiderte Plattform für die Präzisionsmedizin

Das Fraunhofer IZI‑BB optimiert zellfrei Peroxygenasen und entwickelt humane Lebermodelle, um Wirkstoffe wie Clopidogrel und Tamoxifen in hochwirksame, verträgliche Metaboliten umzuwandeln. BTU und Fraunhofer IAP skalieren die Produktion und entwickeln die Formulierung und zelluläre Testung.

Zum Projekt

PZ-Syn: Pilzbasierte zellfreie Syntheseplattformen

Zellfreie Syntheseplattformen für die Herstellung innovativer Biokatalysatoren

In der Fraunhofer Projektgruppe entwickeln Fraunhofer IZI-BB, BTU Cottbus-Senftenberg und TU Dresden neue zellfreie Syntheseplattformen zur schnellen Herstellung unspezifischer Peroxygenasen aus Pilzen, um sie u.a. für die Synthese neuer Wirkstoffe oder anderer Spezialchemikalien einzusetzen.

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Methoden

  • In-silico Strukturmodellierung
  • Zellfreie Expression von Peroxygenasen
  • Aktivitätsbestimmung im Multi-Well-Format zur Ermittlung von Enzymkenndaten
  • LC-MS-basierte Substrat- und Produktbilanzierung
  • Design-of-Experiments-gestützte Entwicklung/Optimierung von Reaktionsparametern
  • Einsatz verschiedener Cosubstrat-Systeme
  • Präparative, biokatalytische Synthese im Batch- oder Fed-Batch-Verfahren
  • Isolierung von Reaktionsprodukten
  • Massenspektrometrie und NMR für Strukturaufklärung 

Geräte

  • Multimode-Plattenreader ClarioStar Plus (BMG Labtech)
  • Spektralphotometer (Shimadzu)
  • 5-L-Bioreaktor (Sartorius)
  • Präparative HPLC (Shimadzu)
  • Massenspektrometer Q-TOF Maxis Impact (Bruker Daltonics)
  • Ultra-sensitive Ionenfalle AmaZon Speed ETD (Bruker Daltonics)
  • Massenspektrometer Q-Trap (Sciex)
  • Gaschromatograph (Agilent)
  • UHPLC (Ultimate 3000 nanoRSLC, Dionex)
  • HPLC (Shimadzu)

  • M. Schramm, C. Carrillo Avilés, J. Kalmbach, K.-U. Schmidtke, J. Kiebist, H. Kellner, M. Hofrichter, K. Scheibner (2025): Rapid screening system to identify unspecific peroxygenase activity. Clinical Hemorheologie and Microcirculation, 13860291241306566 (doi: 10.1177/13860291241306566)
  • S. Friedrich, M. Schramm, J. Kiebist, K.-U. Schmidtke, K. Scheibner (2025): Development of translationally active cell lysates from different filamentous fungi for application in cell-free protein synthesis. Enzyme and Microbial Technology, Vol. 185, 110588 (doi: doi.org/10.1016 /j.enzmictec.2025.110588)
  • P. Gomez de Sanztos, A. González-Benjumina, A. Fernandez-Garcia, C. Aranda, Y. Wu, A. But, P. Molina-Espeja, D. Mate Maté, D. Gonzales-Perez, W. Zhang, J. Kiebist, K. Scheibner, M. Hofrichter, K. Swdierek, V. Moliner, J. Sanz-Aparicio, F. Hollmann, A. Gutiérrez, M. Alcalde (2022): Engineering a highly regioselective fungal peroxygenase for the synthesis of hydroxy fatty acids. Angewandte Chemie International Edition, Vol. 62 (9), e202217372 (doi: 10.1002/anie.202217372)
  • R.M. Walter, A. Zemella, M. Schramm, J. Kiebist, S. Kubick (2022): Vesicle-based cell-free synthesis of short and long unspecific peroxygenases. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 10:964396 (doi: 10.3389/fbioe.2022.964396)
  • R. König, J. Kiebist, J. Kalmbach, R. Herzog, K.-U. Schmidtke, H. Kellner, R. Ullrich, N. Jehmlich, M. Hofrichter, K. Scheibner (2022): Novel unspecific peroxygenases from Truncatella angustata catalyzes the synthesis of bioactive lipid mediators. Microorganisms, Vol. 10, 1267 (doi: 10.3390 /microorganisms10071267)
  • E. Babot, C. Aranda, J. Kiebist, K. Scheibner, R. Ullrich, M. Hofrichter, A.T. Martínez, A. Gutiérrez (2022): Enzymatic epoxidation of long-chain terminal alkenes by fungal peroxygenases. Antioxidants, Vol. 11, 522 (doi:10.3390/antiox11030522).
  • M. Schramm, S. Friedrich, K.-U. Schmidtke, J. Kiebist, P. Panzer, H. Kellner, R. Ullrich, M. Hofrichter, K. Scheibner (2022): Cell-free protein synthesis on basis of fungal lysates offers a novel and rapid platform for the production of unspecific peroxygenases. Antioxidants, Vol. 11 (2) 284 (doi: 10.3390/antiox11020284).
  • M. Hofrichter, H. Kellner, R. Herzog, A. Karich, J. Kiebist, K. Scheibner, R. Ullrich (2022): Peroxide-mediated oxygenation of organic compounds by fungal peroxygenases. Antioxidants, Vol. 11 (1), 163. (doi: 10.3390/antiox11010163)
  • J. Kiebist, K.-U. Schmidtke, M. Schramm, R. König, S. Quint, J. Kohlmann, R. Zuhse, R. Ullrich, M. Hofrichter, K. Scheibner (2021): Biocatalytic syntheses of antiplatelet metabolites of the thienopyridines clopidogrel and prasugrel using fungal peroxygenases. Journal of Fungi, Vol. 7 (9), 752 (doi: 10.3390/jof7090752)
  • P. Gomez de Santos, M. Dat Hoang, J. Kiebist, H. Kellner, R. Ullrich, K. Scheibner, M. Hofrichter, C. Liers, & M. Alcalde (2021): The functional expression in yeast of two unusual acidic peroxygenases from Candolleomyces aberdarensis by adopting evolved secretion mutations. Applied & Environmental Microbiology, AEM-00878 (doi: 10.1128/AEM.00878-21)
  • S. Bello, N. Pérez, J. Kiebist, K. Scheibner, M.I.S. Ruiz, A. Serrano, A.T. Martínez, G. Feijoo, M.T. Moreira (2021): Early-stage sustainability assessment of enzyme production in the framework of lignocellulosic biorefinery. Journal of Cleaner Production, 285, 125461 (doi: 10.1016/j.jclepro.2020.125461)
  • A. González-Benjumea, G. Marques, J. Kiebist, K. Scheibner, J.C. del Río, A.T. Martínez, A. Gutiérrez (2021): High epoxidation yields of vegetable oil hydrolyzates and methyl esters by selected fungal peroxygenases. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 8, 1470 (doi: 10.3389/fbioe.2020.605854)
  • K.N. Ingenbosch, S. Quint, M. Dyllick-Brenzinger, D.S. Wunschik, J. Kiebist, P. Süss, U. Liebelt, R. Zuhse, U. Menyes, K. Scheibner, C. Mayer, K. Opwis, J.S. Gutmann, K. Hoffmann-Jacobsen (2021): Singlet oxygen generation by peroxidases and peroxygenases for chemo-enzymatic synthesis. ChemBioChem, 22, 398-407 (doi: 10.1002/cbic.202000326)
  • E. Babot, C. Aranda, J. del Río, R. Ullrich, J. Kiebist, K. Scheibner, M. Hofrichter, A. T. Martínez, A. Gutierrez (2020): Selective oxygenation of ionones and damascones by fungal peroxygenases. Journal of Agriculture and Food Chemistry, 68 (19), pp. 5375-5383 (doi: 10.1021/acs.jafc.0c01019)
  • J. Kiebist, S. Steinbrecht, R. König, M. Thiessen, K.-U. Schmidtke, S. Kammerer, J.-H. Küpper, K. Scheibner (2020): Enzymatic synthesis of cyclophosphamide metabolites by a fungal peroxygenase from Marasmius rotula for toxicology studies on human cancer cell lines HepG2 and MCF7. AMB Expr. 10, 128. (doi: 10.1007/s12268-020-1338-x)
  • K. Scheibner, R. Ullrich, J. Kiebist, H. Kellner, M. Hofrichter (2020): Unspezifische Peroxygenasen – Oxyfunktionalisierung außerhalb der Pilzhyphe. BIOspektrum, 26 (1), pp. 103-106 (doi: 10.1007/s12268-020-1338-x)
  • C. Aranda, M. Municoy, V. Guallar, J. Kiebist, K. Scheibner, R. Ullrich, J. C. del Río, M. Hofrichter, A. Gutiérrez (2019): Selective synthesis of 4-hydroxyisophorones and 4-ketoisophorones by fungal peroxygenases. Catalysis Science & Technology, 9, pp. 1398-1405 (doi: 10.1039/c8cy02114g).
  • C. Aranda, A. Olmedo, J. Kiebist, K. Scheibner, J.C. del Río, A.T. Martínez, A. Gutiérrez (2018): Selective epoxidation of fatty acids and fatty acid methyl esters by fungal peroxygenases. ChemCatChem, 10, pp. 3964-3968 (doi: 10.1002/cctc.201800849).
  • C. Aranda, R. Ullrich, J. Kiebist, K. Scheibner, J.C. del Río, M. Hofrichter, A.T. Martínez, A. Gutiérrez (2018): Selective synthesis of the resveratrol analogue 4,4‘-dihydroxy-trans-stilbene and stilbenoids modification by fungal peroxygenases. Catalysis Science & Technology, 8, pp. 2394-2401 (doi: 10.1039/C8CY00272J).
  • A. Olmedo, J.C. del Río, J. Kiebist, R. Ullrich, M. Hofrichter, K. Scheibner, A.T. Martínez, A. Gutiérrez (2017): Fatty Acid Chain Shortening by a Fungal Peroxygenase. Chemistry – A European Journal, 23 (67), pp. 16985-16989 (doi: 10.1002/chem.201701773).
  • J. Kiebist, K.-U. Schmidtke, J. Zimmermann, H. Kellner, R. Ullrich, D. Zänder, M. Hofrichter, K. Scheibner (2017): Novel peroxygenase from Chaetomium globosum enables the selective oxygenation of testosterone. ChemBioChem, 18 (6), pp. 563-569 (doi: 10.1002/cbic.201600677).
  • A. Olmedo, C. Aranda, J.C. del Río, J. Kiebist, K. Scheibner, A.T. Martínez, A. Gutiérrez (2016): From Alkanes to Carboxylic Acids: New Terminal Oxygenation Reactions by Fungal Peroxygenase. Angewandte Chemie Int. Ed., 55, pp. 12248-12251 (doi: 10.1002/anie.201605430R).
  • J. Kiebist, W. Holla, J. Heidrich, M. Poraj-Kobielska, M. Sandvoss, R. Simonis, G. Gröbe, J. Atzrodt, M. Hofrichter, K. Scheibner (2015): One-pot synthesis of human metabolites of SAR548304 by fungal peroxygenases. Bioorganic & Medicinal Chemistry, 23 (15), pp. 4324-4332 (doi: 10.1016/j.bmc.2015.06.035).