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.
Technische Anwendungen: Waschen, Bleichen, Gerben
In vielen technischen Anwendungen aber auch im Haushalt sind Enzyme als Problemlöser gefragt. Sie entfernen Schmutz beim Waschen, unterstützen die Herstellung von Papier und Textilien und erlauben spezifische Syntheseprozesse in der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Auch bei der Biospritherstellung sind Enzyme zentrale Akteure.
Waschen: Enzyme sind in Waschmitteln unverzichtbare Helfer. Weil sie bereits in kleinsten Mengen hochwirksam sind und bei geringen Temperaturen aktiv werden, sind sie wesentlich dafür verantwortlich, dass der durchschnittliche Waschmittelverbrauch und die Waschtemperatur in den letzten Jahrzehnten gesenkt werden konnte. 40 Prozent der industriell produzierten Enzyme werden in Wasch- und Reinigungsmitteln eingesetzt. Proteasen wie die Subtilisine sorgen für den Abbau von Eiweißen, entfernen also Flecken aus Blut, Kakao oder Ei. Soßenreste wiederum werden von Amylasen abgebaut, Fette durch Lipasen zerlegt. Cellulasen dienen als Weichmacher und sorgen für die Textilpflege: Sie knabbern an winzigen Knötchen oder abstehenden Mikrofasern im Baumwollgewebe und beugen damit dem „Vergrauen“ von Textilien vor. Auch in Reinigungsmitteln für Geschirrspüler oder die Reinigungsflüssigkeit von Kontaktlinsen stecken Enzyme.
Textilien bearbeiten: Anstelle von Wasserstoffperoxid lassen sich Textilien auch mit dem Enzym Katalase bleichen, und das unter milden Bedingungen und geringem Energieaufwand. Bei der Jeansherstellung wiederum werden Cellulasen genutzt, um den sogenannten „Stonewashed“-Effekt zu erzielen. Hier ersetzen die Biokatalysatoren die herkömmliche Herstellung auf der Basis von Bimssteinen.
Gerben: Auch bei der Lederbehandlung sind Enzyme gefragt. Hier werden Proteasen eingesetzt, die für den Abbau bestimmter Eiweiße in der Lederhaut von Tieren sorgen. Nur das faserartige Protein Collagen darf nicht zerlegt werden. Durch das Wirken der Enzyme wird das Leder im Verlauf der Bearbeitung geschmeidig und leichter färbbar.
Papier herstellen: In der Papier- und Zellstoffindustrie werden Enzyme eingesetzt, um den Rohstoff Holz besser mechanisch zerfasern zu können. Auch in einem weiteren Schritt der Papierherstellung, der Bleiche, werden im Vorfeld Xylanasen eingesetzt. Beim Recycling von Papier kann Druckerschwärze leichter mithilfe von Cellulasen und Lipasen entfernt werden ("Deinking"). Enzyme helfen, den Energie- und Ressourcenaufwand zu senken.
Biokraftstoffe erzeugen: Sowohl für die Herstellung von Biokraftstoffen der ersten Generation (Sprit aus stärkehaltigen Früchten) wie auch der zweiten Generation (Sprit aus Agrarreststoffen) werden Enzyme eingesetzt. Ist Holz oder Stroh der Rohstoff für die Biospritherstellung, so sorgen Cellulasen und andere Enzyme dafür, die Lignocellulose aus den Pflanzenfasern in ihre Einzelbausteine zu zerlegen. Am Ende entsteht das Zuckermolekül Glucose, das wiederum von Hefen zu Ethanol vergoren werden kann.
Wirkstoffe synthetisieren: Enzyme sind auch in der Pharmaindustrie als molekulare "Baumeister" gefragt: Per Biokatalyse lassen sich schnell und günstig Moleküle herstellen, die sich nur schwer oder gar nicht mittels chemischer Synthese erzeugen lassen. Diese Fähigkeit wird in der Pharmaindustrie genutzt, um chirale Medikamente herzustellen. Darunter versteht man Wirkstoffe, die nur in einer bestimmten 3D-Architektur wie gewünscht funktionieren. Die sogenannte Enantiomeren-selektive Katalyse ist eine der großen Stärken der Enzyme.
