Projekt für energieeffizientere Chemieindustrie Enzyme aus der Natur nachbauen

Für viele technische Probleme gibt es Lösungen in der Natur. Dort finden sich etwa Enzyme, die als Katalysatoren diverse industriell relevante Reaktionen beschleunigen. Eine neue Forschungsgruppe will nun diesen Biokatalysatoren besser verstehen und sie für den industriellen Einsatz optimiert nachbauen.

Bielefeld – Der Nachbau von Enzymen soll dafür sorgen, dass die chemische Industrie nicht erneuerbare Kohlenwasserstoff-Ressourcen künftig effizienter und energiesparender als bisher verarbeitet. Dafür arbeiten Experten aus ganz Deutschland ab Juli 2022 in der Forschungsgruppe „Bioinspirierte Oxidationskatalyse mit Eisenkomplexen“ (BioOxCat) zusammen. „Ein Großteil dessen, was in der chemischen Industrie hergestellt wird, wird aus Erdöl, Erdgas und Kohle gemacht. Wir dürfen diese fossilen Rohstoffe nicht für die Energiegewinnung verschwenden“, sagt der künftige Forschungsgruppensprecher Professor Dr. Thorsten Glaser. „Wir brauchen diese begrenzt verfügbaren Rohstoffe vielmehr für die Herstellung von Arzneimitteln, Baustoffen oder Kunststoffen. Mit den Ergebnissen unserer Forschungsgruppe möchten wir für die chemische Industrie energiesparende Verfahren etablieren, um die Herstellung von Grundstoffen zu unterstützen.“

Von der Natur inspiriert, doch noch nicht optimiert

In der Natur sorgen Enzyme dafür, dass chemische Reaktionen in bakteriellen, pflanzlichen und tierischen Zellen beschleunigt werden. Sie dienen als Katalysatoren der Reaktionen. Die Mitglieder der Forschungsgruppe wollen sich die Prinzipien von Enzymen zunutze machen. Ihre Arbeiten basieren auf vorausgegangenen Studien, die zeigten, wie insbesondere Enzyme mit Eisen bei der Katalyse funktionieren.

Glaser und seine Kollegen haben Eisenverbindungen nach dem Vorbild dieser Enzyme nachgebaut. Bisher funktionieren diese nachgebauten Eisenverbindungen als Katalysatoren aber nicht so gut wie das Original. „Wir konnten noch nicht klären, wie sich die Wirkung optimieren lässt“, sagt Glaser. Die Forschungsgruppe soll herausfinden, warum die Funktionalität der nachgebauten Eisenverbindungen derzeit nicht so effizient ist wie in der Natur. „Erst wenn wir verstanden haben, woran es liegt, dass die nach dem Vorbild der Natur hergestellten Eisenverbindungen nicht so gut funktionieren, können wir ihre Herstellung rational optimieren“, sagt der Forscher.

Röntgenanalyse poröser Materialien

Das Innenleben von Katalysatoren in Echtzeit durchleuchtet

Am Ende der Forschungszeit wollen die Wissenschaftler Prozesse entwickelt haben, die so einfach sind, dass sie sich für die Industrie eignen. Eine erste Vermutung Glasers, warum die nachgebauten Eisenverbindungen noch nicht so gut sind wie die aus der Natur: „Es liegt unter anderem daran, dass die Moleküle noch zu einfach gebaut sind, aber ich bin mir sicher, dass die interdisziplinäre Forschungsgruppe die Details dazu ergründen wird.“

Mit Bakterien Methanol herstellen

In seinem Teilprojekt in der DFG-Forschungsgruppe befasst sich Glaser mit dem Enzym Methan-Monooxygenase. In speziellen Bakterien treibt dieses Enzym die Reaktion von Methan und Sauerstoff zu Methanol an. Die Methan-Monooxygenase besitzt zwei Eisenzentren. Daran bindet sich der Sauerstoff und wird aktiviert. So entsteht schließlich ein Zwischenprodukt, das mit Methan zu Methanol reagiert, während die Eisenzentren in ihren ursprünglichen Zustand zurückgelangen und der Zyklus von vorne beginnt. Es ist Glaser und seinem Team bereits gelungen, dieses Enzym nachzubauen. Nun gilt es, es so zu optimieren, dass es bei Herstellungsprozessen in der Industrie zum Einsatz kommen kann.

Ziel: Rohstoffe in Chemikalien-Herstellung effizienter nutzen

Alle Mitglieder der Forschungsgruppe beschäftigen sich mit Eisenkomplexen nach dem Vorbild der Natur, jedoch mit unterschiedlichen Schwerpunkten. So untersucht Professorin Dr. Lena Daumann von der Ludwig-Maximilians-Universität München ein funktionelles Modell für ein Enzym, das DNA verändern kann und so Gene an- und ausschaltet. Professor Dr. Christian Limberg von der Humboldt-Universität zu Berlin modelliert Eisenenzyme, die Schwefel oxidieren – das ist ein wichtiger Schritt für die Herstellung von Arzneimitteln. Die Forschungsgruppe soll auf zwei Ebenen einen Beitrag für Industrie und Gesellschaft leisten: effizientere Nutzung von Rohstoffen in der Herstellung von Basis- und Feinchemikalien sowie Steigerung der Energieeffizienz dieser Herstellungsabläufe.

* I. Vogt, Diplom-Soziologin, 33378 Rheda-Wiedenbrück

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