Verdensledende enzymforskning på Ås campus og hvordan vi kom dit Vincent Eijsink Institutt for Kjemi, Bioteknologi og Matvitenskap, NMBU, Ås
«Protein Engineering and Proteomics» (PEP) gruppen ved IKBM 1 Gruppe leder 4 Ingeniører 16 PhD studenter 18 forskere med PhD, deriblant 10 «post-docs», 1 professor, 2 ass professor 2 -? MSc studenter 2 -? Gjester 2
Vår enzymforskning: Bioprospektering Enzym engineering og karakterisering Råstoff & prosess Analyse Implementering 3
Innhold Personlig historie Faglig tidslinje Dagens kontekst for vår forskning Vår forskning Noen betraktninger om hva som må til for å lykkes Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 4
Historie - personlig MSc i «Molekylær Vitenskap», Wageningen, Nederland, 1986 PhD i Naturvitenskap, Groningen, Nederland, 1991 Post-doc, Groningen, 1991-1992 Forsker ved Laboratorie for Mikrobiell Genteknologi (Ingolf Nes), 1993 1997 Professor ved NLH / UMB / NMBU, 1997 i dag Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 5
Historie - personlig Viktige elementer under doktogradsstudiene (1986-1991): Stor åpen og internasjonalt forskningsgruppe En meget engasjert veileder som var flink og kjente sine begrensninger En tøff og ambisiøs bi-veileder, bruk av helt nye teknologier Hard arbeid Fantastisk universitetsmiljø (toppfolk) Kortere opphold på et utenlandsk toppsted Skriving («artikkelsnekring») Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 6
Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 7
Historie - personlig Doktorgradsavhandlingen la et fundament: Kunnskap om enzymer; tidsriktig «engineering» kunnskap Kombinasjon av anvendt tenkning med høyt vitenskapelig nivå Multidisiplinær 12 publiserte kapitler, Cum laude, en del flere artikler i etterkant Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 8
Etter doktorgraden Et år post-doc, i Groningen Til utlandet, bytte tema, lære mer om nye ting.. Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 9
I Norge 4,5 år som forsker ved Ingolf Nes fra jan 1993 Avslag, avslag, avslag.. Fra 1996: Med på et EU prosjekt på «engineering» av kitinaser Professor i 1997 I 1998: første, men minimal, bevilgning fra NFR Avslag, avslag, avslag. I 2000/2001: første ordentlige bevilgning; bestemte meg for å bli i Norge inntil videre. Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 10
Enzymforskningshistorie - Kitin Kitin finnes overalt. Mange organismer som vi vil bekjempe har kitin, mens mennesker ikke har kitin. Vitkig bio-ressurs, mange applikasjoner. Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 11
Enzymforskningshistorie - Kitin Kitin finnes overalt. Mange organismer som vi vil bekjempe har kitin, mens mennesker ikke har kitin. Vitkig bio-ressurs, mange applikasjoner. OBS! Kitin ligner cellulose Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 12
Enzymforskningshistorie - Kitin Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 13
Enzymforskningshistorie 1992: Norsk Nederlandsk samarbeid kitinaser 1994 1996: Flere kitinase artikler med Ingolf Nes 1996: EU prosjekt innvilget 1998: En stipendiat finansiert av NFR 2000/2001: To PNAS artikler på kitinaser 2001: Strategisk bevilgning fra Forskningsrådet; samarbeid med NTNU 2004 2006: Flere høy-siterte kitinase artikler 2005 (!): Vaaje-Kolstad et al., 2005a,b 2008-2009: Fokus på biomass, biogass, cellulose, nye prosjekter 2010: Stort gjennombrudd (Vaaje-Kolstad et al., Science) 2010-2015: Politisk støtte, nye prosjekter, gode artikler 2015: Stor forskningsgruppe på grunnleggende og anvendt enzymteknologi Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 14
Hva har vi drevet med de siste årene? Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 15
Bioraffinering i grove trekk Biomasse Forbehandeling og fraksjonering Depolymerisering Valorisering Produkter, f eks nanocellulose & lignosulfonat Produkter, f eks sukker, aminosyrer, prebiotika Produkter, f eks bioetanol, fôr, kjemikalier 16
Bioraffinering i grove trekk Biomasse er komplisert, heterogen og polymert 17
Bioraffinering og bioenergi Varme Første generasjons biodrivstoff: Planteoljer til biodiesel Stivelse til sukker til bioetanol Annen generasjons biodrivstoff: Biomasse direkte til bio-diesel (BTL - Biomass to Liquids) Cellulose til sukker til bioetanol Biogass 18
Bioraffinering Naturens egne verktøy Mikrober, mikrobesamfunn ( Fermentering ) Enzymer 19
Bioraffinering og Bioteknologi Biomasse Forbehandeling og fraksjonering Mikrober og enzymer Produkter, f eks nanocellulose & lignosulfonat Depolymerisering Valorisering Produkter, f eks sukker, aminosyrer, prebiotika Produkter, f eks bioetanol, fôr, kjemikalier 20
Enzymer Naturens egne verktøy 21
Enzymer Naturens egne verktøy 22
Enzymers fortreffelighet Katalyserer kjemiske reaksjoner under naturlige betingelser. Er meget presise; ingen bi-produkter. Ingen behov for bruk av forurensende kjemikalier, lave energibehov. Kan katalysere prosesser som vi ikke har kjemisk teknologi til. Det finnes mange. De kan tilpasses industrielle forhold 23
Mikrobenes fortreffelighet Mikrober og mikrobielle samfunn klarer «alt» Nye «-omics» verktøy gjør at mikrobene «temmes» og tilpasses («syntetisk biologi») Mikrobielle sluttprosesser øker «sirkulariteten i bio-økonomien» 24
Mikrober En typisk bioteknologisk «annengenerasjons» prosess Polymert, celluloserik biomasse Enzymer Sukker i løsning Etanol Andre (fin) kjemikalier Diverse kjemikalier Single cell protein 25
Mikrober En typisk bioteknologisk «annengenerasjons» prosess Polymert, celluloserik biomasse Enzymer Sukker i løsning + en rest Etanol Andre (fin) kjemikalier Diverse kjemikalier Single cell protein 26
Biomass Future animal feeds should be based on sustainable feed sources that do not compete directly with human food, such as macroalgae, grass and trees. Feed efficiency Foods of Norway addresses feed resource utilization across different fish and farm animal species. The advantages of each species with respect to efficiency are used to convert different feed resources into food. Product quality Developing feed ingredients based on local natural resources NREL does not only increase food security, but also the product quality and nutritional value. 27
Gjær produsert fra trær en høykvalitets næringskilde Gjærsopp: ~ 55% protein, 6-10% nukleinsyrer, 2-8% fett Høg proteinkvalitet NMBU-IHA har testet ut gjær i forsøk med laks: 1. Torula/ Candida utilis 2. Kluveromyces marxianus 3. Bakegjær/ Saccharomyces cereviciae Kilde: Øverland et al.,2013, Aquaculture 402 403, 1 7 28
Biomassen er robust Biomasse er komplisert, heterogen og polymert 29
Hvordan skal sukkeret bli tilgjengelig? NREL 30
Cellulose-rike råstoffer Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 31
Cellulose-rike råstoffer Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 32
Enzymene har en vanskelig oppgave NREL 33
Enzymene har en vanskelig oppgave NREL 34
Gammelt arbeid på kitinaser fra S. marcescens Chitobiase ChiA ChiC ChiB CBP21 Chitin binding protein (CBP21) in the culture supernatant of Serratia marcescens 2170. Suzuki K, Suzuki M, Taiyoji M, Nikaidou N, Watanabe T. Biosci Biotechnol Biochem. 1998 Jan;62(1):128-35 35
Forskning på CBP21 Gustav Vaaje-Kolstad 36
Først fant vi strukturen på CBP21 (2005) Crystal structure and binding properties of the Serratia marcescens chitin-binding protein CBP21. Vaaje-Kolstad G, Houston DR, Riemen AH, Eijsink VG, van Aalten DM. J Biol Chem. 2005 Mar 25;280(12):11313-9 37
Så fant vi funksjonen på CBP21 (trodde vi) The non-catalytic chitinbinding protein CBP21 from Serratia marcescens is essential for chitin degradation. Vaaje-Kolstad G, Horn SJ, van Aalten DM, Synstad B, Eijsink VG. J Biol Chem. 2005, 280:28492-7. 38
Så fikk vi oppmerksomhet 39
Så fikk vi oppmerksomhet Elwin T. Reese the C 1 -C x hypothesis (1950) 40
Så fikk vi oppmerksomhet.men ikke penger (med det første) 41
2010: CBP21 er et enzym, en «LPMO» som katalyserer en redoksreaksjon Endpoint CBP21 + CBP21 Reductant Synergy with ChiC G. Vaaje-Kolstad et al., Science 330:219-222 (2010) 42
Oppdagelse av LPMOs ved NMBU NREL 43
Oppdagelse av LPMOs ved NMBU NREL G. Vaaje-Kolstad et al., Science 330:219-222 (2010) 44
LPMOs virker ikke bare på kitin CelS2, a celluloseactive LPMO from Streptomyces coelicolor (Forsberg et al., 2011) Forsberg et al., 2011, Protein Science, 20:1479-1483 (July, CBM33/AA10) Langston et al.., 2011, Appl Env. Microbiol. 77:7007-715. (Aug, GH61/AA9) Quinlan et al., 2011, PNAS, 108:15079-15084. (Sep, GH61/AA9) Philips et al., 2011, ACS Chemical Biology, 6,1399. (Oct, GH61/AA9) 45 Westereng et al., 2011, PLoS One, 6, e27807. (Nov, GH61/AA9)
LPMOs gjør noe helt nytt NREL 46
LPMOs gjør noe helt nytt Vaaje-Kolstad et al., 2010, Science; Horn et al., 2012 Biotechnology for Biofuels; Aachmann et al., 2012, PNAS; Agger et al., 2014, PNAS; Forsberg et al., 2014, PNAS. 47
Vi fant noe som verden hadde letet etter i 60 år Elwin T. Reese the C 1 -C x hypothesis (1950) 48
.og som i dag brukes i alle lignocellulose-baserte bioraffinerier 49
Siden 2010 Mer prosjekter innen grunnleggende og anvend enzymologi, sterk vekst Mer gode artikler Mer utstyr Gode folk fra hele verden Folk som blir; kompetanseoppbygging Utstrakt samarbeid med industrien Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 50
Siden 2010 Mer prosjekter innen grunnleggende og anvend enzymologi, sterk vekst Mer gode artikler Mer utstyr Gode folk fra hele verden Folk som blir; kompetanseoppbygging Utstrakt samarbeid med industrien Og dette skyldes ikke kun gjennombruddet i 2010 Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 51
Vår enzymforskning: Bioprospektering Enzym engineering og karakterisering Råstoff & prosess Analyse Implementering 52
Er vi verdensledende? Vel. Alle i feltet vet hvem vi er Vi blir mye sitert Vi holder mange foredrag Vi konkurrerer med noen av de beste forskningsinstitusjoner i verden Vi har forbedringspotensiale Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 53
Hva måtte til? Gruppeleder: God grunnutdanning, hard arbeid, gode vitenskapelige «manerer», formidlingsevner Forskningsfinansiering som muliggjør langsiktighet (OBS!) Tålmodighet Støtte, god ledelse, god administrasjon, forskningsog kvalitetsvennlige omgivelser. Handlingsrom og handlekraft Infrastruktur Gode medarbeidere Flaks, både faglig og i det hele tatt.. Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 54
Hva måtte til? It's a funny thing, the more I practice the luckier I get Arnold Palmer Jan 20, 2016 Norwegian University of Life Sciences 55