Enzyme – die Supertalente der Bioindustrie
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- Das Enzym Cas9 im 3D-Modell: das Protein ist das molekulare Skalpell der programmierbaren Genschere CRISPR-Cas9. Quelle: NIH 3D Print Exchange, National Institutes of Health
Enzyme sind die unsichtbaren Stars der biobasierten Wirtschaft. Die Biokatalysatoren ermöglichen und steuern biochemische Reaktionen - ohne die Eiweißmoleküle gäbe es kein Leben. Enzyme lassen sich als Spezialwerkzeuge nutzen, um biobasierte Produkte umzubauen, abzubauen oder zu veredeln. Damit sind Enzyme unverzichtbare Helfer in der Lebensmittelherstellung, aber auch in technischen Anwendungen der Chemie-, Pharma- und Papierindustrie übernehmen die Multitalente zentrale Aufgaben. Aus Waschmitteln sind Enzyme nicht wegzudenken. Die molekularbiologische Forschung und viele gentechnische Verfahren wären ohne Enzyme nicht möglich. Das Dossier beleuchtet die enorme Anwendungsvielfalt der Enzyme und ihr Potenzial für die Bioökonomie.
Was sind Enzyme?
Enzyme sind komplexe Eiweißmoleküle. Im Körper wirken diese Proteine als Beschleuniger von biochemischen Reaktionen. Deswegen werden Enzyme auch als Biokatalysatoren bezeichnet.
Enzyme sind in Organismen die zentralen Antreiber für biochemische Stoffwechselprozesse – ohne Enzyme kein Leben. Von der Verdauung über den Energiestoffwechsel der Zellen, der Informationsübertragung bis hin zum Kopieren der Erbinformation, all diese Abläufe werden von Enzymen gesteuert.
Das Besondere: Enzyme gehen sehr spezifisch zu Werke – ein einzelnes Enzym katalysiert in der Regel nur eine einzige Reaktion und es setzt nur ein ganz bestimmtes Molekül um, das sogenannte Substrat. Das macht Enzyme zu biologischen Spezialwerkzeugen. Es existiert eine riesige Vielfalt an Enzymen mit unterschiedlichsten Fähigkeiten. Für nahezu jede biochemische Reaktion hält die Werkzeugkiste der Natur eigene Biokatalysatoren bereit. Moleküle aufbauen, abbauen oder umbauen, das sind die Kernfunktionen der Enzyme. Ihre Namen enden charakteristisch mit „-ase“, also Cellulase, Lipase oder Protease.
Wie für Katalysatoren typisch, unterstützen die Enzyme eine Reaktion, indem sie die Reaktionspartner eng zusammenbringen und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen. Sie werden aber nicht Teil des entstehenden Produkts. Auf der Oberfläche des dreidimensionalen Enzymmoleküls gibt es eine Region, in die das Substrat wie ein Schlüssel ins Schloss passt. An dieser Stelle — dem aktiven Zentrum — läuft die Reaktion ab. Die Enzyme selbst werden danach unverändert wieder freigesetzt und können sogleich bei einem weiteren Substratmolekül in Aktion treten. Als Biomoleküle sind Enzyme bei milden Bedingungen (niedrigen Temperaturen, neutraler pH-Wert, wässrige Umgebung) aktiv. Und sie sind biologisch abbaubar.
Menschen machen sich die außerordentlichen Fähigkeiten der Enzyme schon lange zunutze. Sie werden als wichtige Hilfsmittel für die Herstellung von biobasierten Produkten eingesetzt. In der Lebensmittelindustrie, bei Futtermittel- und der Konsumgüterindustrie sind die Multitalente nicht mehr wegzudenken. Auch in der molekularbiologischen Forschung und der Züchtung haben Enzyme als Werkzeuge ihren festen Platz. Biotechnologen setzen dabei nicht mehr nur auf natürlich vorkommende Enzyme. Mithilfe neuester Erkenntnisse wollen sie neuartige Biokatalysatoren designen oder diese in Zellen zu neuen Stoffwechselwegen verknüpfen.
