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Das Karlsruher Institut für Technologie hat ein Verfahren vorgestellt, mit dem Enzyme zu stabilen, porösen Kügelchen geformt werden. Die Partikel wirken als Katalysatoren für chemische Synthesen, etwa bei der Herstellung von Arzneiwirkstoffen und Feinchemikalien. Das Verfahren soll die industrielle Biokatalyse, also den Einsatz biologischer statt chemischer Katalysatoren, praxistauglicher machen.
Was Biokatalyse von konventioneller Chemie unterscheidet
Bei chemischen Produktionsprozessen kommen häufig metallorganische oder mineralische Katalysatoren zum Einsatz. Viele davon sind toxisch oder schwer handhabbar. Enzyme beschleunigen Reaktionen ohne solche Risiken. Sie arbeiten selektiv und erzeugen weniger unerwünschte Nebenprodukte, was Rohstoff- und Energieverbrauch senken kann.
Der Haken: Enzyme sind empfindlich. Sie verlieren unter Produktionsbedingungen schnell ihre Wirksamkeit. Lagerung, Transport und Dosierung bereiten in der Praxis erhebliche Schwierigkeiten. Hier setzt die Arbeit des Teams um Professor Christof Niemeyer vom Institut für Biologische Grenzflächen 1 des KIT an.
Enzyme als Baumaterial und Katalysator zugleich
Die Forschenden nutzen das Konzept der sogenannten All-Enzyme Hydrogels, kurz AEH. Dabei werden Enzyme mit molekularen Bindemodulen ausgestattet. Treffen komplementäre Bausteine aufeinander, organisieren sie sich selbst zu dreidimensionalen Proteinnetzwerken.
Die Enzyme übernehmen dabei zwei Rollen gleichzeitig: Sie sind Katalysator und Strukturmaterial der Kügelchen. Inaktives Trägermaterial, das bei herkömmlichen Verfahren den Wirkstoffanteil verdünnt, entfällt. Das erhöht die katalytische Effizienz der Partikel.
Herstellung über Gefriertrocknung
Die Produktion der Kügelchen läuft in zwei Stufen. Zunächst bringen die Forschenden komplementäre Enzymbausteine in Flüssigkeitströpfchen zusammen. Diese werden durch schnelles Einfrieren in flüssigem Stickstoff fixiert, anschließend folgt eine Gefriertrocknung, bei der das Wasser entzogen wird.
Das Ergebnis sind mechanisch stabile, poröse Proteinkügelchen mit definierter Größe im Millimeterbereich. Die getrockneten Partikel lassen sich in Flüssigkeit auflösen und direkt für Reaktionen einsetzen. Das Team demonstrierte den Betrieb der Kügelchen über viele Stunden in Durchflussreaktoren, wie sie in der kontinuierlichen Produktion üblich sind.
Hybridkügelchen mit lebenden Zellen
In einem weiteren Schritt kombinierte das KIT-Team die Enzymbausteine mit Zellen des Bakteriums Escherichia coli. Daraus entstanden hybride Partikel, die Eigenschaften beider Systeme vereinen. Zellen können chemische Energie bereitstellen und Zwischenprodukte erzeugen, was einzelne Enzyme allein nicht leisten können.
Die hybriden Kügelchen blieben nach mehr als vier Wochen trockener Lagerung bei Raumtemperatur katalytisch aktiv. Selbst nach fünf Monaten Lagerung waren die Funktionen des Zell-Enzym-Systems noch nachweisbar. Den Forschenden gelang es außerdem, lebensfähige Zellen aus dem Material zurückzugewinnen, wobei die genetische Funktion der Zellen erhalten blieb.
Modulares Baukastenprinzip
Das Verfahren ist nicht auf einen bestimmten Enzymtyp beschränkt. Das Team testete es anhand sehr unterschiedlicher Enzyme und Reaktionstypen. Sowohl einzelne katalytische Funktionen als auch Mehrenzym-Systeme mit Hilfsstoffen ließen sich in den Kügelchen abbilden. Die Zusammensetzung der Partikel lässt sich je nach gewünschter Reaktion anpassen.
Mögliche Einsatzfelder liegen laut KIT bei Feinchemikalien, Aromastoffen, pharmazeutischen Wirkstoffbausteinen und anderen hochwertigen chemischen Produkten.
Fazit
Mit lagerfähigen, dosierbaren und wiederverwendbaren Enzympartikeln senkt der Ansatz die Hürde für Betriebe, die chemische Katalysatoren ersetzen wollen. Ob und wann das Verfahren die Laborskala verlässt, hängt von weiteren Scale-up-Tests und der Wirtschaftlichkeit im Produktionsmaßstab ab.
