Enzyme für eine nachhaltige Industrie-Produktion : Datum: , Thema: Bioökonomie
Enzyme treiben die Bioökonomie voran. Das Projekt LipoBiocat entwickelt unter anderem Computermodelle, um neue Biokatalysatoren schneller in der Industrie einsetzten zu können. Auch Plastik lässt sich mit Hilfe von Enzymen herstellen und abbauen.
Seit der Entstehung des Lebens treiben Enzyme den Stoffwechsel der Organismen an. Innerhalb von Zellen oder Mikroorganismen ermöglichen Enzyme zahlreiche chemische Reaktionen, indem sie als Biokatalysatoren unter anderem die Aktivierungsenergie verringern. In einer biobasierten Wirtschaft möchte man dieses biologische Wissen anwenden und die Reaktionsbeschleuniger vermehrt in der Industrie einsetzen. Die Katalyse – die Beschleunigung von Reaktionen allgemein – kommt auch auf breiter Front in der Chemie und industriellen Produktion zum Einsatz. Im Gegensatz zu vielen chemischen Katalysatoren sind Biokatalysatoren jedoch umweltfreundlich, denn sie arbeiten bereits bei niedrigen Temperaturen oder Druck; es ist folglich weniger Energie erforderlich. Zudem greifen sich Enzyme hochspezifisch die richtigen Reaktionspartner und stellen ebenso hochspezifisch die gewünschten Produkte her.
Enzyme machen die Produktion sauberer, sicherer, billiger und schneller
Das Projekt „Robuste und selektive lipolytische Biokatalysatoren für industrielle Anwendungen“, kurz LipoBiocat, zielt darauf ab, Enzyme vermehrt für eine maßschneiderte Produktion einzusetzen, und das mit weniger toxischen Abfällen. Allerdings seien Enzyme in der Natur für eine Funktion in lebenden Zellen angepasst, erklärt der Projektleiter, Professor Karl-Erich Jaeger. Um ausreichend robuste Enzyme für die industrielle Produktion zu identifizieren und zu optimieren, entwickeln er und seine Projektpartner innovative Werkzeuge. „Wir wollen bessere und schneller Enzyme für bestimmte Prozesse finden.“
Biobasierte Plastik-Produktion
Ein Teil von LipoBiocat befasst sich mit der Frage, wie man mit Enzymen Kunststoffe herstellen oder abbauen kann. „Dabei stehen Umweltaspekte im Vordergrund“, erklärt Jaeger. Der Wissenschaftler, der am Forschungszentrum Jülich das Institut für Molekulare Enzymtechnologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf leitet, sucht auch nach natürlichen Enzymen, die Plastik abbauen: „Vor allem Bakterien können einige Kunststoffe abbauen, dies geschieht mit entsprechenden Enzymen.“ Dazu gehört derzeit PET (Polyethylenterephthalat) aus Flaschen, Folien und Textilfasern. Allerdings – noch – nicht Polyethylen, der weltweit am häufigsten, meist für Verpackungen verwendete Kunststoff.
Enzyme für wirksame und sichere Arzneimittel
Eine weitere Säule des Forschungsprojektes ist es, „Methoden zu entwickeln, um Enzyme schneller auf die industrielle Anwendung zu trimmen“, erklärt Projektleiter Jaeger. Daran hätten alle großen Chemie- und Pharmafirmen ein gesteigertes Interesse. In der organischen Synthese-Chemie sind Stoffgemische meist unerwünscht. Dies gilt ganz besonders bei Arzneimitteln. „Hier gilt es, aus sogenannten Racematen, die Moleküle enthalten, die wie Bild und Spiegelbild aufgebaut sind, nur eine der beiden Molekülspezies, ein sogenanntes Enantiomer, zu produzieren,“ erläutert der Mikrobiologe. Enzyme garantieren dabei eine sehr hohe Reinheit, die mit chemischer Synthese oft nicht erreicht werden kann.
Enantiomere unterscheiden sich in ihrer biologischen Wirkung. Ein Gemisch aus Enantiomeren kann bei Medikamenten neben der heilenden Wirkung durch das eine auch zu schweren Nebenwirkungen durch das andere Enantiomer führen, erläutert Jaeger und verweist auf das Beispiel Contergan.
Als das damals rezeptfreie Beruhigungsmittel Contergan 1957 auf den Markt kam, war nicht bekannt, dass ein Enantiomer als gut verträgliches Schlafmittel wirkt, das Gegenstück jedoch schwere Missbildungen bei Ungeborenen auslösen kann. Allein in Deutschland wurden ungefähr 5.000 Kinder mit fehlenden oder fehlgebildeten Gliedmaßen und Organen gebildet. In Folge des Contergan-Skandals dürfen heute Medikamente ausschließlich das „richtige“ Spiegelbildisomer enthalten, um eine Zulassung zu erhalten.
Schneller ans Ziel mit Hilfe von Algorithmen
Auch abseits der Medikamenten-Herstellung besteht in der Chemie- und Biotech-Industrie ein stetig wachsender Bedarf an Enzymen, die Reaktionen mit hoher Aktivität, Spezifität und Substratselektivität katalysieren. Um die geeigneten robusten Enzyme zu finden, setzen die Forscherinnen und Forscher von LipoBiocat auf zwei Schwerpunkte. Die eine bestehe, so Jaeger, aus der klassischen molekularbiologischen Laborarbeit, bei der geeignete Enzym-Kandidaten optimiert werden. „Relativ neu ist die Computerarbeit“, beschreibt er die zweite Säule. Denn wesentliche weitere Verbesserungen erzielen Mikrobiologen, organische Chemiker, Strukturbiologen oder Bioinformatiker mit Hilfe von Algorithmen. So lässt es sich zum Beispiel computergestützt wesentlich schneller ermitteln, welche Bausteine bei einem Enzym ausgetauscht werden müssten, um eine andere Funktion oder Wirkung zu erzielen. Die erarbeiteten Protokolle oder Methoden könnten dann der Industrie rasch passende Kandidaten für ihre Produktion liefern. Damit kann die industrielle Biokatalyse attraktiver und rentabler werden.
Damit reiht sich LipoBiocat hervorragend ein in die Maßnahme „Maßgeschneiderte biobasierte Inhaltsstoffe für eine wettbewerbsfähige Bioökonomie 2"ein, über die das Projekt gefördert wird.