Biotechnologie Eingesperrte Enzyme leben länger

Enzyme sind die Reaktionsbeschleuniger aus der Biologie und kommen z. B. bei der Medikamentenherstellung oder in Waschmitteln zum Einsatz. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie haben die Moleküle nun in spezielle Käfige gesperrt und so deren Stabilität um ein Vielfaches erhöht. Dies erleichtert die Lagerung und den Einsatz der Enzyme.

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Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Karlsruhe – Sie gelten als wahre Multifunktionstalente: Enzyme beschleunigen als Katalysatoren viele chemische Reaktionen. In Organismen sind sie an lebenswichtigen Prozessen beteiligt und in Technik und Industrie ermöglichen sie als Werkzeuge der „Weißen Biotechnologie“, Energie zu sparen und Ressourcen zu schonen. So lösen Enzyme in Waschmitteln beispielsweise Verschmutzungen schon bei deutlich niedrigeren Temperaturen. Auch Umwelttechnik, Lebensmittelverarbeitung, Arzneimittelherstellung, medizinische Diagnostik und viele weitere Bereiche setzen Enzyme ein.

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Bei Enzymen handelt es sich meist um Proteine. Um das Potenzial dieser riesigen Moleküle auch außerhalb biologischer Kontexte in der so genannten zellfreien Biotechnologie nutzen zu können, müssen sie stabilisiert und in effiziente Reaktorsysteme integriert werden. Diese für die Weiße Biotechnologie zentrale Herausforderung wurde in wässrigen Lösungsmitteln schon in vielen Fällen bewältigt. In organischen Lösungsmitteln dagegen kommt es häufig zu einer Destabilisierung beziehungsweise Denaturierung – die katalytischen Eigenschaften gehen verloren.

Forschern vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, Enzyme so zu stabilisieren, dass sie sich sowohl in wässrigen als auch in organischen Lösungsmitteln verwenden lassen. So demonstrierten sie erstmals ein kontinuierliches Enzymreaktorsystem mit hoher Produktivität und Stabilität.

Freiwillig im Käfig

Das neue Reaktorsystem basiert auf metallorganischen Verbindungen (metal-organic frameworks – MOFs). Dabei handelt es sich um Gerüste aus metallischen Knotenpunkten und organischen Verbindungsstreben, die sich durch kristalline Strukturen und definierte Porengrößen auszeichnen. Durch verschiedene Kombinationen von Metallbausteinen und organischen Liganden sowie Variationen der Porengröße lassen sich MOFs für ganz unterschiedliche Anwendungen maßschneidern. Beim zellfreien Einsatz von Enzymen wirken sie wie Käfige.

„Wir bringen die Enzyme dazu, einzeln in die Poren der MOFs einzudiffundieren, das heißt, sozusagen freiwillig in den Käfig hineinzuschlüpfen“, erklärt Prof. Christof Wöll, Leiter des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am KIT. „Die MOFs wirken als Rüstung, schützen diese empfindlichen Biomoleküle und vermeiden Denaturierung.“ Dank der Porosität der MOFs lässt sich der Transport von Reaktanten und Produkten in chemischen Reaktionen besser kontrollieren. Darüber hinaus vereinfachen die MOFs die aufwändige Trennung von Katalysator und Produkten, wie Prof. Matthias Franzreb erläutert, stellvertretender Leiter des IFG und Co-Autor der Studie.

Stabilisierte Enzyme arbeiten langsamer – noch…

Die Karlsruher Forscher demonstrierten die zeit- und kosteneffiziente Herstellung eines Enzym-MOF-Durchflussreaktors. Dabei war die Stabilität des immobilisierten Enzyms rund 30-mal so hoch wie die des freien Enzyms. Die katalytische Aktivität betrug im Vergleich zum freien Enzym rund 30 Prozent – ein angesichts der Verformung des in die MOF-Poren eingebetteten Enzyms recht hoher Wert.

Die Studie lief im Kontext des Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ des KIT und der Universität Heidelberg sowie des Helmholtz-Programms „Materials Systems Engineering“. In weiteren Arbeiten zum Thema ist geplant, die MOFs mithilfe computerbasierter Methoden so zu verändern, dass die Verformung durch die Poren nicht zu einer Verringerung, sondern zu einer Erhöhung der Aktivität führt.

Originalpublikation: Raphael Greifenstein, Tim Ballweg, Tawheed Hashem, Eric Gottwald, David Achauer, Frank Kirschhöfer, Michael Nusser, Gerald Brenner-Weiß, Elaheh Sedghamiz, Wolfgang Wenzel, Esther Mittmann, Kersten S. Rabe, Christof M. Niemeyer, Matthias Franzreb, Christof Wöll: MOF-hosted enzymes for continuous flow catalysis in aqueous and organic solvents, Angewandte Chemie, International Edition. 2022; DOI: 10.1002/anie.202117144

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