{"id":138322,"date":"2024-02-05T07:26:00","date_gmt":"2024-02-05T06:26:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=138322"},"modified":"2024-01-29T12:18:22","modified_gmt":"2024-01-29T11:18:22","slug":"erstes-silikon-abbauendes-enzym-entwickelt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/erstes-silikon-abbauendes-enzym-entwickelt\/","title":{"rendered":"Erstes Silikon-abbauendes Enzym entwickelt"},"content":{"rendered":"\n\n\n

Nat\u00fcrlicher Abbau: Forschende haben erstmals ein Enzym entwickelt, das eine schwer zug\u00e4ngliche chemische Bindung in Silikonen aufbrechen kann. Es ver\u00e4ndert das Material so, dass die hartn\u00e4ckige Bindung zwischen Silizium und Kohlenstoff in solchen Siloxanen gespalten wird. Dank des neuen Biokatalysators k\u00f6nnten diese umweltbedenklichen Massenchemikalien k\u00fcnftig biologisch abbaubar sein, wie die Biochemiker in \u201eScience<\/a>\u201c berichten.<\/strong><\/p>\n\n\n

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\"\"<\/figure><\/div>\n\n\n

Siloxane, auch Silikone genannt, kommen in unz\u00e4hligen Alltagsprodukten vor \u2013 von Reinigungs- und Pflegeprodukten \u00fcber Autos und elektronische Ger\u00e4te bis hin zu Raumfahrttechnik. Die Polymere sind stabil und zugleich flexibel und verf\u00fcgen \u00fcber organische und anorganische Elemente. Wegen dieser und weiterer Eigenschaften<\/a> sind Siloxane auch ein beliebtes Baumaterial und kommen auch in der Medizintechnik<\/a> zum Einsatz. J\u00e4hrlich werden einige Megatonnen dieser Chemikalien hergestellt und verarbeitet.<\/p>\n\n\n

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\"Strukturformel<\/a>
Strukturformel von Polydimethylsiloxan (PDMS). \u00a9 Smokefoot<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Menschgemachte Chemikalie gef\u00e4hrdet die Umwelt<\/h3>\n\n\n\n

Das chemische Grundger\u00fcst der Siloxane besteht aus Silizium-Sauerstoff-Bindungen. An die Siliziumatome sind zudem kohlenstoffhaltige Gruppen, h\u00e4ufig Methylgruppen, gebunden. Solche Silizium-Kohlenstoff-Bindungen kommen in der Natur nicht vor, werden von Menschen jedoch seit etwa 80 Jahren k\u00fcnstlich hergestellt und genutzt.<\/p>\n\n\n\n

Wenn die Siloxane in die Umwelt gelangen, zerfallen sie in kleinere Teile und k\u00f6nnen als Schwebstoffe in die Atmosph\u00e4re gelangen. Dort reagieren die Teilchen mit freien Radikalen, zerfallen weiter und sammeln sich so in der Natur an. \u00dcber m\u00f6gliche Umwelt- und Gesundheitsrisiken dieser Abbauprodukte ist nur wenig bekannt, es gibt jedoch Hinweise daraus, dass sie f\u00fcr manche Lebewesen giftig sein k\u00f6nnten. Zudem kann dieser Zerfallsprozess Monate dauern. Als letztes brechen dabei die robusten Silizium-Kohlenstoff-Bindungen auf.<\/p>\n\n\n\n

Mit gerichteter Evolution zu besseren Enzymen<\/h3>\n\n\n\n

Um diesen Prozess zu beschleunigen und die Abbauprodukte der Siloxane besser nachvollziehen zu k\u00f6nnen, haben Forschende um Tyler Fulton vom California Institute of Technology (Caltech) nun eine neue Technik f\u00fcr den Abbau dieser Verbindungen entwickelt. In Vorarbeiten hatten die Biochemiker bereits ein bakterielles Enzym so weiterentwickelt, dass es solche unnat\u00fcrlichen Silizium-Kohlenstoff-Bindungen auf biologische und umweltfreundliche Weise herstellen kann.<\/p>\n\n\n

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\"K\u00fcnstlerische<\/a>
K\u00fcnstlerische Darstellung eines im Labor entwickelten Enzyms, das eine Silizium-Kohlenstoff-Bindung aufbricht. \u00a9 Caltech\/Dow<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Daran ankn\u00fcpfend haben Fulton und seine Kollegen nun ein weiteres bakterielles Enzym so modifiziert und optimiert, dass es den Umkehrprozess durchf\u00fchren kann: die Bindung wieder aufzubrechen. Beide Enzyme haben die Forschenden durch sogenannte gerichtete Evolution im Labor gez\u00fcchtet. Dabei ver\u00e4nderten sie das Enzym-kodierende Gen mehrfach geringf\u00fcgig, bis die gew\u00fcnschten Eigenschaften vorhanden waren.<\/p>\n\n\n\n

\u201eBei der gerichteten Evolution evaluieren wir Hunderte neuer Enzyme parallel, um einige Enzymvarianten mit verbesserter Aktivit\u00e4t zu identifizieren\u201c, erkl\u00e4rt Fulton. Diese Varianten wurden dann jeweils ausgew\u00e4hlt und weiter optimiert.<\/p>\n\n\n\n

Suche nach Startpunkt in der Natur<\/h3>\n\n\n\n

Dieser Prozess der Enzymver\u00e4nderung mittels gerichteter Evolution, der 2018 mit dem Chemie-Nobelpreis<\/a> ausgezeichnet wurde, ist inzwischen Standard in der Biochemie und Biotechnologie. \u201eDie Herausforderung bestand jedoch darin, das Ausgangsenzym f\u00fcr den gerichteten Evolutionsprozess zu finden, eines mit nur einer winzigen Menge der gew\u00fcnschten Aktivit\u00e4t\u201c, sagt Seniorautorin und Nobelpreistr\u00e4gerin Frances Arnold vom Caltech.<\/p>\n\n\n\n

Statt wie sonst \u00fcblich bei Null anzufangen und auf gut Gl\u00fcck in der Natur nach diesem Startenzym zu suchen<\/a>, konnten Arnold und ihre Kollegen auch hier auf Vorarbeiten zur\u00fcckgreifen. \u201eWir haben ein geeignetes Ausgangsenzym in unserer einzigartigen Sammlung von Cytochrom-P450-Enzymen gefunden, die wir zuvor f\u00fcr andere Arten neuartiger Siliziumchemie angelegt hatten.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Wie hat das neue Enzym die Bindung geknackt?<\/h3>\n\n\n\n

Das Ergebnis ist ein verbessertes Enzym, das die Silizium-Kohlenstoff-Bindungen in Siloxanen effektiv abbaut, sodass daraus Silanole entstehen. Das Enzym spaltet dabei die hartn\u00e4ckige Silizium-Kohlenstoff-Bindung jedoch nicht direkt, sondern nutzt einen Umweg, wie Analysen des Reaktionsmechanismus ergaben. Demnach ersetzt der Biokatalysator in zwei Oxidations-Schritten zwei Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen der Methylgruppe durch eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung. Dadurch bricht die benachbarte Silizium-Kohlenstoff-Bindung leichter auf.<\/p>\n\n\n\n

Damit haben die Forschenden erstmals einen nat\u00fcrlichen Katalysator f\u00fcr den Abbau der menschengemachten Siloxane entwickelt. Anders als bei rein chemischen Abbauprozessen funktioniert dieser auch unter milden Bedingungen. Wegen seines bakteriellen Ursprungs kann das optimierte Enzym zudem einfach in Bakterien hergestellt werden. \u201eDie Natur ist eine erstaunliche Chemikerin und zu ihrem Repertoire<\/a> geh\u00f6rt nun auch das Aufbrechen von Bindungen in Siloxanen, von denen man fr\u00fcher annahm, dass sie dem Angriff lebender Organismen entgehen\u201c, sagt Arnold.<\/p>\n\n\n\n

Enzyme k\u00f6nnten Siloxane in Abwasser abbauen<\/h3>\n\n\n\n

Das neuentwickelte Enzym k\u00f6nnte in einigen Jahren genutzt werden, um Siloxane auch in gr\u00f6\u00dferem Ma\u00dfstab biologisch abzubauen, hoffen die Forschenden. \u201eBeispielsweise k\u00f6nnten weiter verbesserte Versionen von im Labor entwickelten Enzymen wie diesem zur Behandlung von Siloxanverunreinigungen im Abwasser verwendet werden\u201c, sagt Arnold. \u201eOder es k\u00f6nnten sich nat\u00fcrliche Organismen in siloxanreichen Umgebungen entwickeln, um eine \u00e4hnliche Reaktion zu katalysieren.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Diese Hoffnung basiert auf Beobachtungen, wonach sich in plastikhaltigen Umgebungen Bakterien ansiedelten, die PET abbauen k\u00f6nnen. Daraus ist ein Forschungstrend zu plastikabbauenden Enzymen entstanden. \u00c4hnliches k\u00f6nnte bei Siloxanen passieren und effektive Enzyme f\u00fcr ihren Abbau hervorbringen, so Arnold. \u201eWir hoffen, dass unsere Studie weitere Arbeiten zum Abbau von Siloxanverbindungen inspirieren wird\u201c, erg\u00e4nzt Fulton. (Science, 2024; doi: 10.1126\/science.adi5554<\/a>)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Nat\u00fcrlicher Abbau: Forschende haben erstmals ein Enzym entwickelt, das eine schwer zug\u00e4ngliche chemische Bindung in Silikonen aufbrechen kann. Es ver\u00e4ndert das Material so, dass die hartn\u00e4ckige Bindung zwischen Silizium und Kohlenstoff in solchen Siloxanen gespalten wird. Dank des neuen Biokatalysators k\u00f6nnten diese umweltbedenklichen Massenchemikalien k\u00fcnftig biologisch abbaubar sein, wie die Biochemiker in \u201eScience\u201c berichten. Siloxane, […]<\/p>\n","protected":false},"author":59,"featured_media":138344,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"none","nova_meta_subtitle":"Hartn\u00e4ckige chemische Bindung mithilfe der Natur geknackt ","footnotes":""},"categories":[5572],"tags":[13082,12477,12858],"supplier":[2530],"class_list":["post-138322","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-bio-based","tag-bioabbaubarkeit","tag-biochemikalien","tag-enzyme","supplier-california-institute-of-technology"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/138322","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/59"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=138322"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/138322\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media\/138344"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=138322"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=138322"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=138322"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=138322"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}