“Fr\u00fcher wurde ein enzymatisches Produktionsverfahren dem Biokatalysator angepasst: Heutzutage kann ein Enzym durch Protein-Engineering gezielt, rasch und sehr erfolgreich an die Erfordernisse eines industriellen Verfahrens ma\u00dfgeschneidert werden”, fasst Professor Uwe Bornscheuer die Quintessenz des soeben in der Wissenschaftszeitschrift Nature erschienenen \u00dcbersichtsartikels zusammen.
Der Beitrag entstand in Zusammenarbeit mit den Autoren Prof. Romas Kazlauskas (Universit\u00e4t von Minnesota, St. Paul, USA), Prof. Stefan Lutz (Emory Universit\u00e4t, Atlanta, USA) und den Industrieforschern Gjalt Huisman (Codexis, USA) Jeffrey Moore (Merck & Co., USA) und Karen Robins (Lonza AG, Schweiz).<\/b><\/p>\n
Traditionell werden Enzyme − die in jedem Lebewesen alle Stoffwechselreaktionen katalysieren − schon seit \u00fcber 100 Jahren f\u00fcr chemische Synthesen genutzt. Uwe Bornscheuer und seine Kollegen konnten nach einer Analyse der Fachpublikationen der vergangenen zehn Jahre die Entwicklung in diesem Bereich nun als drei Wellen beschreiben.<\/p>\n
Bis in die 1970er Jahre wurden die Biokatalysatoren aus tierischen, pflanzlichen oder mikrobiellen Quellen gewonnen und in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie direkt eingesetzt. Zeigte ein Enzym nicht gen\u00fcgend Aktivit\u00e4t, Stabilit\u00e4t oder Selektivit\u00e4t, musste entweder ein alternativer Biokatalysator in der Natur gefunden werden oder das Verfahren war wenig konkurrenzf\u00e4hig, da nur mit viel Aufwand Produkte in der gew\u00fcnschten Qualit\u00e4t und Reinheit hergestellt werden konnten. <\/p>\n
In der zweiten Welle, die etwa ab den 1980er Jahren ihren Ausgang nahm, konnten durch molekularbiologische Methoden Enzyme bereits mit relativ geringem Aufwand in mikrobiellen Wirtsorganismen in ausreichenden Mengen hergestellt werden. Diese werden beispielsweise in der Herstellung von Antibiotika, einfacher Chemikalien oder in Waschmitteln industriell genutzt. Zwar konnten die Eigenschaften durch Protein-Engineering (die gezielte Ver\u00e4nderung der Aminos\u00e4uresequenz der Proteine und damit deren Eigenschaften) bereits angepasst werden, aber fehlende Kenntnisse \u00fcber Proteinstrukturen, unzureichende Methoden und vor allem zeitraubende Experimente erlaubten es nicht, immer den gew\u00fcnschten Biokatalysator zu erzeugen. Mitunter dauerte die Entwicklung angepasster Enzyme zu lange, um zu vorhandenen chemischen Synthesen konkurrenzf\u00e4hig zu sein.<\/p>\n
Die aktuelle dritte Welle hat im Bereich der wei\u00dfen Biotechnologie zu einem immensen Schub, ja einem Qualit\u00e4tssprung gef\u00fchrt. Der \u00dcbersichtsartikel f\u00fchrt hier als wesentliche Ursachen an: In wissenschaftlichen Datenbanken sind mittlerweile mehr als 20 Millionen Proteinsequenzen (Baupl\u00e4ne der Enzyme) hinterlegt, die ein unersch\u00f6pfliches Reservoir f\u00fcr neue Enzyme beinhalten, das nunmehr durch neue bioinformatische und molekularbiologische Methoden erschlossen werden kann. Gleichzeitig k\u00f6nnen mit modernsten Methoden des Protein-Engineering in Kombination mit Roboter-unterst\u00fctzten Verfahren grundlegend bessere Biokatalysatoren gefunden und angepasst werden. <\/p>\n
In dem Artikel werden \u00fcber 40 Pharmawirkstoffe und -vorstufen aufgef\u00fchrt, die alle mit verbesserten Enzymen hergestellt werden. Ein aktuelles Beispiel ist die enzymatische Herstellung des Wirkstoffs Sitagliptin, der zur Behandlung von Diabetes eingesetzt wird. Ein zun\u00e4chst entwickeltes chemisches Verfahren des US-Unternehmens Merck & Co. wird nunmehr gro\u00dftechnisch mit einem optimierten Enzym durchgef\u00fchrt.
Das Ausgangsenzym zeigte zun\u00e4chst nahezu keine Aktivit\u00e4t in der gew\u00fcnschten Reaktion. \u00dcber ein ausgekl\u00fcgeltes Protein-Engineering und die experimentelle Durchmusterung von ca. 40.000 Varianten konnte ein geeigneter Biokatalysator entwickelt werden, der nun bei sehr hohen Konzentrationen der Wirkstoffvorstufe und f\u00fcr Enzyme sehr drastischen Reaktionsbedingungen ein extrem reines Produkt liefert. Die Umstellung auf das Biokatalyseverfahren geht nicht nur mit einer h\u00f6heren Ausbeute einher, sondern ist auch wesentlich umweltfreundlicher, sodass dieses Verfahren in den USA mit dem vom US-Pr\u00e4sidenten j\u00e4hrlich verliehenen Preis f\u00fcr “gr\u00fcne Chemie” ausgezeichnet wurde. <\/p>\n
Die Autoren des Nature Artikels prognostizieren, dass in Zukunft nicht nur eine Vielzahl weiterer enzymatischer Verfahren bestehende chemische Produktionsmethoden ersetzen werden, sondern auch g\u00e4nzlich neue Produkte mit den modernen und umweltfreundlichen Methoden der Biokatalyse realisiert werden k\u00f6nnen, die zus\u00e4tzlich den Vorteil haben, dass sie meist auf nachwachsenden Rohstoffen basieren.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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