Enzyme – die Supertalente der Bioindustrie
-
<ic:message key='Bild vergrößern' />
- 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.
Enzyme entdecken und herstellen
Enzyme sind die größte und vielfältigste Gruppe in der Welt der Proteine. Allein in dem gut erforschten Bakterium Escherichia coli kommen etwa 500 verschiedene Enzyme vor. Nach den internationalen Standards sind derzeit weltweit etwa 5.400 verschiedene Enzymklassen detailliert beschrieben und systematisch eingeordnet worden.
In der in Deutschland vor 28 Jahren aufgebauten und in Braunschweig betriebenen Enzym-Datenbank BRENDA, die als weltweit wichtigste Ressource für Biokatalysatoren gilt, sind Informationen zu 77.000 Enzymen aus mehr als 30.000 verschiedenen Organismen archiviert. Biologen durchforsten die globale Biodiversität auf der Suche nach weiteren, bislang unbekannten Enzymen. Die Suche wird durch leistungsfähige Hochdurchsatz-Technologien ("-omics") stark beschleunigt. Mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung lassen sich Erbgutabschnitte oder sogar ganze Genome aus Zell- und Gewebeproben rasch und kostengünstig auslesen. So lassen sich mittlerweile sogar sämtliche Erbinformationen eines Lebensraums, etwa eine Bodenprobe, sequenzieren. Der Forschungszweig nennt sich Metagenomik. Dadurch lassen sich auch molekulare Baupläne von Enzymen aufspüren, die sich nicht im Labor kultivieren lassen.
Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen als Quelle
Enzyme sind Naturstoffe. Es sind derart komplexe und große Biomoleküle, dass man sie nicht chemisch nachbauen kann. Sie müssen durch Biosynthese entstehen und aus biologischen Quellen gewonnen werden. Enzyme wurden früher aus tierischem oder pflanzlichem Material extrahiert. Zu den wichtigsten Quellen zählten die Bauchspeicheldrüsen von Schlachttieren (z.B. Waschmittelenzyme) oder die Mägen von jungen Kälbern und Ziegen (Lab-Gewinnung für Käse). Seit Mitte des 20. Jahrhunderts sind Mikroorganismen als effiziente Produzenten von Enzymen in den Fokus gerückt. Bakterien, Hefen oder Schimmelpilze werden dazu in geschlossenen Stahltanks – den Fermentern – kultiviert. In das flüssige Nährmedium werden Stärke oder andere Zucker hinzugegeben. Die Mikroben wachsen und gedeihen und geben die Enzyme im Idealfall in das Medium ab. Die Eiweißmoleküle werden dann geerntet: Das Medium wird konzentriert und filtriert, die meisten Enzympräparate werden als Pulver in den Handel gebracht.
Mikroben in lebende Enzym-Fabriken verwandeln
Konnten anfangs nur die Enzyme genutzt werden, die das jeweilige Bakterium natürlicherweise herstellt, so haben die moderne Biotechnologie und die Gentechnik hier ganz neue Möglichkeiten eröffnet. Mithilfe gentechnischer Methoden lässt sich der molekulare Bauplan eines gewünschten Enzyms in Bakterien über sogenannte Plasmide – kleine DNA-Ringe – einschleusen. Auf dieses Weise werden die Zellen umfunktioniert und darauf programmiert, fortan das hinzugefügte Enzym in hoher Ausbeute und Reinheit herzustellen. Der Großteil der Enzyme in Lebensmittelindustrie und Anwendungstechnik wird heute mikrobiell mithilfe von Gentechnik hergestellt. Zu den wichtigsten Produktionsorganismen zählen Bakterien der Gattung Bacillus und Schimmelpilze der Gattung Aspergillus.
Enzyme mit verbesserten Eigenschaften
Biotechnologen sorgen dafür, dass ihre winzigen Leistungsträger konstant und mit gleichbleibender Qualität ihre Produkte abliefern. Auf der Basis neuer Erkenntnisse der Mikrobiologie und Verfahrenstechnik können die Zellfabriken auf Höchstleistung getrimmt werden. Neue molekularbiologische Verfahren erlauben es, Enzyme gezielt auf einen bestimmten Anwendungszweck hin zu konstruieren und somit funktionell noch weiter zu verbessern (Protein-Design).
