{"id":106071,"date":"2022-03-11T07:02:00","date_gmt":"2022-03-11T06:02:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=106071"},"modified":"2022-03-09T13:10:11","modified_gmt":"2022-03-09T12:10:11","slug":"biotechnologie-enzyme-im-kafig","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/biotechnologie-enzyme-im-kafig\/","title":{"rendered":"Biotechnologie: Enzyme im K\u00e4fig"},"content":{"rendered":"\n\n\n
\"3D-Modell
3D-Modell eines MOF vor dem Enzym-MOF-Durchflussreaktor im Labor am Institut f\u00fcr Funktionelle Grenzfl\u00e4chen des KIT.
(Foto: Dr. Raphael Greifenstein, KIT)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Enzyme beschleunigen als Biokatalysatoren viele chemische Reaktionen. Am Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie (KIT) haben Forschende nun Enzyme in metallorganische K\u00e4fige (MOFs) eingelagert. Erstmals demonstrierten sie dann, dass die Stabilisierung durch diese Ger\u00fcststrukturen sogar f\u00fcr einen Einsatz der Enzyme in einem kontinuierlich betriebenen Reaktor ausreicht. Ebenfalls neu: Die in MOFs eingelagerten Enzyme lassen sich nicht nur in w\u00e4ssrigen, sondern auch in organischen L\u00f6sungsmitteln verwenden. Die Forschenden berichten in der Zeitschrift Angewandte Chemie<\/em> (DOI: 10.1002\/anie.202117144<\/a>)<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Sie gelten als wahre Multifunktionstalente: Enzyme beschleunigen als Katalysatoren viele chemische Reaktionen. In Organismen sind sie an lebenswichtigen Prozessen beteiligt. In Technik und Industrie erm\u00f6glichen sie als Werkzeuge der Wei\u00dfen Biotechnologie, Energie zu sparen und Ressourcen zu schonen. Enzyme in Waschmitteln beispielsweise l\u00f6sen Verschmutzungen schon bei niedrigeren Temperaturen. Auch Umwelttechnik, Lebensmittelverarbeitung, Arzneimittelherstellung, medizinische Diagnostik und viele weitere Bereiche setzen Enzyme ein.<\/p>\n\n\n\n

Bei Enzymen handelt es sich meist um Proteine. Um das Potenzial der riesigen Molek\u00fcle auch au\u00dferhalb biologischer Kontexte in der sogenannten zellfreien Biotechnologie nutzen zu k\u00f6nnen, m\u00fcssen sie stabilisiert und in effiziente Reaktorsysteme integriert werden. Diese f\u00fcr die Wei\u00dfe Biotechnologie zentrale Herausforderung wurde in w\u00e4ssrigen L\u00f6sungsmitteln schon in vielen F\u00e4llen bew\u00e4ltigt. In organischen L\u00f6sungsmitteln dagegen kommt es h\u00e4ufig zu einer Destabilisierung beziehungsweise Denaturierung \u2013 die katalytischen Eigenschaften gehen verloren.<\/p>\n\n\n\n

Forschenden am Institut f\u00fcr Funktionelle Grenzfl\u00e4chen (IFG), am Institut f\u00fcr Nanotechnologie und am Institut f\u00fcr Biologische Grenzfl\u00e4chen 1 \u2013 Biomolekulare Mikro- und Nanostrukturen des KIT ist es nun gelungen, Enzyme so zu stabilisieren, dass sie sich sowohl in w\u00e4ssrigen als auch in organischen L\u00f6sungsmitteln verwenden lassen. So konnten sie erstmals ein kontinuierliches Enzymreaktorsystem mit hoher Produktivit\u00e4t und Stabilit\u00e4t demonstrieren. Dar\u00fcber berichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

MOFs vereinfachen Trennung von Katalysatoren und Produkten<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Das innovative Reaktorsystem basiert auf metallorganischen Verbindungen (metal-organic frameworks \u2013 MOFs). Dabei handelt es sich um Ger\u00fcste aus metallischen Knotenpunkten und organischen Verbindungsstreben, die sich durch kristalline Strukturen und definierte Porengr\u00f6\u00dfen auszeichnen. Durch verschiedene Kombinationen von Metallbausteinen und organischen Liganden sowie Variationen der Porengr\u00f6\u00dfe lassen sich MOFs f\u00fcr ganz unterschiedliche Anwendungen ma\u00dfschneidern. Beim zellfreien Einsatz von Enzymen wirken sie wie K\u00e4fige. \u201eWir bringen die Enzyme dazu, einzeln in die Poren der MOFs einzudiffundieren, das hei\u00dft, sozusagen freiwillig in den K\u00e4fig hineinzuschl\u00fcpfen\u201c, erkl\u00e4rt Professor Christof W\u00f6ll, Leiter des IFG. \u201eDie MOFs wirken als R\u00fcstung, sch\u00fctzen diese empfindlichen Biomolek\u00fcle und vermeiden Denaturierung.\u201c Dank der Porosit\u00e4t der MOFs l\u00e4sst sich der Transport von Reaktanten, also der Substanzen, die w\u00e4hrend der chemischen Reaktionen verbraucht werden, und Produkten, die dabei entstehen, besser kontrollieren. Dar\u00fcber hinaus vereinfachen die MOFs die aufwendige Trennung von Katalysator und Produkten, wie Professor Matthias Franzreb erl\u00e4utert, stellvertretender Leiter des IFG und Co-Autor der Studie.<\/p>\n\n\n\n

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Die riesigen Biomolek\u00fcle diffundieren einzeln in die passgenau gestalteten Poren eines metallorganischen Ger\u00fcsts. Grafik: Dr. Raphael Greifenstein \u00a9 KIT<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die Karlsruher Forschenden demonstrierten die zeit- und kosteneffiziente Herstellung eines Enzym-MOF-Durchflussreaktors. Dabei war die Stabilit\u00e4t des immobilisierten Enzyms rund 30-mal so hoch wie die des freien Enzyms. Die katalytische Aktivit\u00e4t betrug im Vergleich zum freien Enzym rund 30 Prozent \u2013 ein angesichts der Verformung des in die MOF-Poren eingebetteten Enzyms recht hoher Wert. Die Studie lief im Kontext des Exzellenzclusters \u201e3D Matter Made to Order\u201c des KIT und der Universit\u00e4t Heidelberg sowie des Helmholtz-Programms \u201eMaterials Systems Engineering\u201c. In weiteren Arbeiten zum Thema ist geplant, die MOFs mithilfe computerbasierter Methoden so zu ver\u00e4ndern, dass die Verformung durch die Poren nicht zu einer Verringerung, sondern zu einer Erh\u00f6hung der Aktivit\u00e4t f\u00fchrt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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