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.
Werkzeuge für Molekularbiologen und Züchter
Enzyme sind nicht nur als vielseitige Helfer in der industriellen Produktion wichtig. Sie sind unverzichtbare Werkzeuge in der molekularbiologischen Forschung.
Molekulare Werkzeugkiste
Sogenannte Restriktionsenzyme erkennen und schneiden die DNA an Stellen mit einem ganz bestimmten genetischen Buchstabencode. Mit den molekularen Scheren lassen sich Erbgutstücke passend zurechtschneiden. Mit Ligasen wiederum lassen sich die maßgeschneiderten DNA-Stücke zusammenkleben. Ohne diese Werkzeuge wäre die Gentechnik undenkbar. Ein weiteres Standard-Enzym in den Laboren ist die Taq-Polymerase. Sie wurde einst aus dem Bakterium Thermus aquaticus isoliert. Die Mikrobe lebt in einem 90 Grad heißen Geysir im Yellowstone-Park in Kalifornien. Die Taq-Polymerase ist ein Kopierenzym, das für die Vervielfältigung von DNA-Molekülen in der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) gebraucht wird.
Auch eine weitere revolutionäre Entdeckung basiert auf einem Enzym: die programmierbare Genschere CRISPR-Cas9. Es handelt sich um ein molekulares Präzisionswerkzeug, mit dem sich Erbgut in lebenden Zellen besonders einfach und präzise bearbeiten lässt. Fündig wurden Mikrobiologen in dem Bakterium Streptococcus pyogenes. Es hat ein molekulares Abwehrsystem gegen Viren entwickelt. Forscher haben dieses CRISPR-Cas9-System für biotechnologische Anwendungen optimiert und eine sogenannte Designer-Nuklease geschaffen.
Revolutionäre Genschere
Cas9 ist in dem System die eigentliche Genschere – als Nuklease kann sie Doppelstrangbrüche im Erbmolekül DNA auslösen. Durch das CRISPR-System lässt sie sich darauf programmieren, an definierten Stellen im Genom ihre Schnitte zu setzen. Auf diese Weise lassen sich an vielen Stellen gleichzeitig Mutationen in das Erbgut einfügen, Abschnitte herausschneiden oder DNA-Fragmente einbauen. Molekularbiologen sprechen hierbei vom Genome Editing. Neben CRISPR-Cas9 existieren noch andere Designer-Nukleasen. Wegen der einfachen Handhabung hat das CRISPR-Cas-System jedoch rasant Einzug in die Labore gehalten. Obwohl erst 2012 beschrieben, zeichnet sich bereits ab, dass es nicht nur die Grundlagenforschung verändert. Auch für die Züchtung von Nutzpflanzen und Nutztieren birgt die Technologie enormes Potenzial. Für die Erforschung von Krankheiten und neuartige Gentherapien eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten.
Neue Stoffwechselwege konstruieren
In den Anfängen der molekularen Biotechnologie wurden Bakterien als Produktionsorganismen lediglich mit dem zusätzlichen Bauplan für ein einziges Protein ausgerüstet. Inzwischen gelingt es Forschern, komplexe Stoffwechselwege mit zahlreichen enzymatischen Synthese-Schritten zu entwerfen, Zellen damit auszustatten und auf diese Weise industrielle Produkte herzustellen. Bei diesem Metabolic Engineering bedienen sich die Forscher genetischer Steuerelemente und Biosynthese-Gene unterschiedlicher Herkunft – etwa aus Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen. Diese gezielte Konstruktion von Stoffwechselwegen und Zellfabriken, die in der Natur so nicht vorkommen, wird auch Synthetische Biologie genannt.
