{"id":130014,"date":"2023-08-07T07:26:00","date_gmt":"2023-08-07T05:26:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=130014"},"modified":"2023-08-02T15:31:40","modified_gmt":"2023-08-02T13:31:40","slug":"materialforschung-biokatalytische-schaume-mit-enormer-haltbarkeit-und-aktivitat","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/materialforschung-biokatalytische-schaume-mit-enormer-haltbarkeit-und-aktivitat\/","title":{"rendered":"Materialforschung: Biokatalytische Sch\u00e4ume mit enormer Haltbarkeit und Aktivit\u00e4t"},"content":{"rendered":"\n\n\n
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Neue Biomaterialien f\u00fcr die industrielle Biokatalyse: Enzymsch\u00e4ume bilden dreidimensionale por\u00f6se Netzwerke mit stabiler hexagonaler Wabenstruktur. \u00a9 Julian Hertel, KIT<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die industrielle Biokatalyse mit Enzymen gilt als \u201eGamechanger\u201c bei der Entwicklung einer nachhaltigen chemischen Industrie. Mithilfe von Enzymen kann eine eindrucksvolle Bandbreite an komplexen Molek\u00fclen wie pharmazeutische Wirkstoffe unter umweltfreundlichen Bedingungen synthetisiert werden. Forschende des Karlsruher Instituts f\u00fcr Technologie (KIT) haben nun eine neue Klasse von Materialien entwickelt, indem sie Enzyme als Sch\u00e4ume hergestellt haben, die eine enorme Haltbarkeit und Aktivit\u00e4t besitzen. \u00dcber ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in der Fachzeitschrift Advanced Materials<\/em>. Das neuartige Herstellungsverfahren der Enzym-Sch\u00e4ume wurde bereits zum Patent angemeldet. (DOI: 10.1002\/adma.202303952<\/a>)<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Um das Gebiet der industriellen Biokatalyse, die vor allem bei der Herstellung von Pharmazeutika und Spezialchemikalien zum Einsatz kommt, weiterzuentwickeln, arbeiten Forschende intensiv an neuen Prozesstechnologien. Bei der Biokatalyse beschleunigen Enzyme statt chemischer Katalysatoren die Reaktionen, damit lassen sich Rohstoffe und Energie einsparen. Ziel ist es nun, Enzym-Biokatalysatoren unter m\u00f6glichst schonenden Bedingungen kontinuierlich und in gro\u00dfen Mengen bereitzustellen. Damit effiziente Stoffumwandlungen realisierbar sind, werden die Enzyme in mikrostrukturierten Durchflussreaktoren immobilisiert. Sie sind dabei r\u00e4umlich fixiert und an ein reaktionstr\u00e4ges Material gebunden und somit eingeschr\u00e4nkt mobil, was zu einer h\u00f6heren Konzentrierung der Enzyme und damit verbunden zu einer h\u00f6heren Produktivit\u00e4t f\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Aufgesch\u00e4umte Mikrotr\u00f6pfchen aus selbstorganisierenden Enzymen<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Normalerweise ver\u00e4ndern Enzyme beim Versch\u00e4umen ihre Struktur und verlieren damit ihre biokatalytische Aktivit\u00e4t. Die neuen Proteinsch\u00e4ume haben aber eine enorme Haltbarkeit und Aktivit\u00e4t. Die Aktivit\u00e4t ist ein Ma\u00df f\u00fcr die Wirksamkeit des Enzyms, das daf\u00fcr sorgt, dass Ausgangsstoffe m\u00f6glichst schnell miteinander reagieren. F\u00fcr die Herstellung der Proteinsch\u00e4ume werden zwei Dehydrogenase-Enzyme gemischt, die zueinander passende Verkn\u00fcpfungsstellen tragen, sodass sie spontan ein stabiles Proteinnetzwerk ausbilden k\u00f6nnen. <\/p>\n\n\n\n

\u201eDieses Gemisch wird dann in einem mikrofluidischen Chip mit einem Gasstrom versetzt, damit sich kontrolliert mikroskopische Blasen einheitlicher Gr\u00f6\u00dfe bilden\u201c, erkl\u00e4rt Professor Christof Niemeyer vom Institut f\u00fcr Biologische Grenzfl\u00e4chen-1<\/strong> den Prozess. Der so hergestellte Schaum mit einheitlicher Blasengr\u00f6\u00dfe wird direkt auf Kunststoffchips aufgebracht und getrocknet, wodurch die Proteine polymerisieren und ein stabiles, hexagonales Gitter ausbilden.<\/p>

\u201eEs handelt sich dabei um monodisperse \u201eVoll-Enzym-Sch\u00e4ume\u201c, also dreidimensionale, por\u00f6se Netzwerke, die ausschlie\u00dflich aus biokatalytisch aktiven Proteinen bestehen\u201c, charakterisiert Niemeyer <\/strong>die Zusammensetzung der neuen Materialien. <\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

Die stabile hexagonale Wabenstruktur der Sch\u00e4ume besitzt einen mittleren Porendurchmesser von 160 \u00b5m und einer Lamellendicke von 8 \u00b5m und wird aus den frisch hergestellten, etwa gleich gro\u00dfen kugelf\u00f6rmigen Blasen nach wenigen Minuten gebildet.<\/p>\n\n\n\n

Aktive und stabile Voll-Enzym-Sch\u00e4ume effizient einsetzen<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Um Enzyme effizient f\u00fcr Stoffumwandlungen nutzen zu k\u00f6nnen, m\u00fcssen sie in gro\u00dfen Mengen unter m\u00f6glichst schonenden Bedingungen immobilisiert werden, um ihre Aktivit\u00e4t zu erhalten. Bisher wurden Enzyme auf Polymeren oder Tr\u00e4gerpartikeln immobilisiert, allerdings wird hierf\u00fcr wertvoller Reaktorraum ben\u00f6tigt und die Aktivit\u00e4t kann beeintr\u00e4chtigt werden. <\/p>\n\n\n\n

\u201eIm Vergleich zu unseren bereits entwickelten \u201eVoll-Enzym-Hydrogelen\u201c entsteht bei den neuen Materialien auf Schaumbasis eine deutlich gr\u00f6\u00dfere Oberfl\u00e4che, an der die gew\u00fcnschte Reaktion stattfinden kann\u201c, beschreibt Niemeyer<\/strong> die wesentliche Verbesserung. <\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

Im Gegensatz zu theoretisch erwarteten Ergebnissen zeigen die neuen Sch\u00e4ume \u00fcberraschenderweise eine auffallend hohe Haltbarkeit, mechanische Widerstandsf\u00e4higkeit und katalytische Aktivit\u00e4t der Enzyme, was bisher beim Sch\u00e4umen von Proteinen nicht gelungen war.<\/p>\n\n\n\n

Die Stabilit\u00e4t kommt, so vermuten die Forschenden, durch die zueinander passenden Verkn\u00fcpfungsstellen zustande, mit der die Enzyme ausgestattet sind. Hierdurch k\u00f6nnen sie sich von selbst zusammenf\u00fcgen und so w\u00e4hrend des Trocknens ein hochvernetztes Gitter bilden, das dem neuen Material eine einzigartige Stabilit\u00e4t verleiht. <\/p>\n\n\n\n

\u201eErstaunlicherweise sind die neu entwickelten Enzymsch\u00e4ume nach der Trocknung f\u00fcr vier Wochen deutlich stabiler als die gleichen Enzyme ohne Sch\u00e4ume\u201c, erl\u00e4utert Niemeyer<\/strong> die Vorteile, \u201edies ist f\u00fcr die Vermarktung von gro\u00dfem Interesse, da hierdurch Vorratsproduktion und Versand erheblich vereinfacht werden.\u201c<\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

Die neuen Biomaterialien er\u00f6ffnen vielseitige Wege f\u00fcr Innovationen in der industriellen Biotechnologie, den Materialwissenschaften oder auch f\u00fcr die Lebensmitteltechnologie. So k\u00f6nnten die Proteinsch\u00e4ume in biotechnologischen Prozessen eingesetzt werden, um wertvolle Verbindungen effizienter und nachhaltiger herzustellen. Das Forschungsteam konnte zeigen, dass mithilfe der Sch\u00e4ume der industriell wertvolle Zucker Tagatose hergestellt werden kann, der eine vielversprechende Alternative zu raffiniertem Zucker als S\u00fc\u00dfungsmittel darstellt. <\/p>\n\n\n\n

Originalpublikation<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Julian S. Hertel, Patrick Bitterwolf, Sandra Kr\u00f6ll, Astrid Winterhalter, Annika J. Weber, Maximilian Gr\u00f6sche, Laurenz B. Walkowsky, Stefan Hei\u00dfler, Matthias Schwotzer, Christof W\u00f6ll, Thomas van de Kamp, Marcus Zuber, Tilo Baumbach, Kersten S. Rabe, Christof M. Niemeyer: Biocatalytic Foams from Microdroplet-Formulated Self-Assembling Enzymes. Advanced Materials, 2023. https:\/\/doi.org\/10.1002\/adma.202303952<\/a><\/p>\n\n\n\n

\u00dcber das KIT<\/h3>\n\n\n\n

Als \u201eDie Forschungsuniversit\u00e4t in der Helmholtz-Gemeinschaft\u201c schafft und vermittelt das KIT Wissen f\u00fcr Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen ma\u00dfgebliche Beitr\u00e4ge in den Feldern Energie, Mobilit\u00e4t und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplin\u00e4ren Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22.300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universit\u00e4res Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationst\u00e4tigkeit am KIT schl\u00e4gt die Br\u00fccke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer nat\u00fcrlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversit\u00e4ten.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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