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Synthesechemie Wie lassen sich Bio-Katalysatoren in chemische Synthesen integrieren?

| Redakteur: Manja Wühr

Der Antwort auf diese Frage ist ein Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum näher gekommen. Sie haben biologische und chemische Katalysatoren in einem System vereint und ein gemeinsames Produkt erzeugen lassen.

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Wollen mehr Biologie in die chemische Industrie bringen: Dennis Reichert, Robert Kourist und Álvaro Gómez Baraibar (von links)
Wollen mehr Biologie in die chemische Industrie bringen: Dennis Reichert, Robert Kourist und Álvaro Gómez Baraibar (von links)
(Bild: Kramer/RUB)

Bochum – Forscher der Ruhr-Universität Bochum ist es gelungen, chemische und biologische Katalysatoren im selben System für einen gemeinsamen Zweck einzusetzen. Normalerweise fordern chemische und biologische Katalysatoren sehr unterschiedliche Reaktionsbedingungen. Daher betteten die Bochumer Wissenschaftler die Katalysatoren in eine spezielle Gelmatrix ein.

„Enzyme als umweltfreundliche biologische Katalysatoren stehen mittlerweile im Fokus der modernen Synthesechemie“, sagt Robert Kourist. Der Grund: Sie operieren bei milden Reaktionsbedingungen wie neutralem pH-Wert und niedrigen Temperaturen. Außerdem sind sie sehr selektiv, stellen also nur das gewünschte Produkt und wenig Nebenprodukte her.

Es gibt jedoch eine Reihe von Reaktionen, für die bislang keine passenden Enzyme als Katalysatoren gefunden wurden. Daher sind derzeit auch noch chemische Katalysatoren im Einsatz. „Eine Kombination der klassischen Enzyme mit Bio-Katalysatoren, ist ein Schritt hin zu umweltfreundlicheren chemischen Prozessen“, sagt Kourist. „Sie in derselben Reaktion zu verwenden, ist aber eine Herausforderung.“ Denn sie benötigen unterschiedliche Reaktionsbedingungen, um zu funktionieren.

Unterschiedliche Reaktionsräume

Chemische Katalysatoren sind häufig organo-metallische Verbindungen, die ein organisches Lösungsmittel als Reaktionsumgebung erfordern. Allerdings gibt es nur wenige Enzyme, die in einer solchen Umgebung aktiv bleiben können. Um dennoch beide Arten von Katalysatoren gemeinsam in einer Reaktion einzusetzen, erzeugten die Bochumer Wissenschaftler Dr. Álvaro Gómez Baraibar und Dennis Reichert getrennte Reaktionsräume mithilfe einer speziellen Gelmatrix. So können die Einzelreaktionen als Kaskade ablaufen, mit mehreren räumlich getrennten Schritten hintereinander.

„Die Kombination der einzelnen Reaktionsschritte in einer Kaskade hat weitere Vorteile“, sagt Reichert. Es sei nicht nötig, das gewünschte Produkt nach den einzelnen Zwischenschritten aufwendig zu isolieren und von Nebenprodukten zu reinigen, weil es direkt als Ausgangsstoff für den nächsten Schritt der Reaktion genutzt werden könne. „Das spart Zeit und Kosten“, erklärt er.

Beispiel mit potenzieller Pharmawirkung

Das Team demonstrierte die neue Methode an der Synthese von Polyphenolen. „Diese Naturstoffe werden vorwiegend als natürliche Antioxidationsmittel genutzt“, erklärt Robert Kourist. „Sie stehen aber auch im Mittelpunkt verschiedener Studien als neue Medikamente zum Einsatz in Krebstherapien.“ Polyphenole synthetisch herzustellen ist aufwendig, und die Ausbeute ist gering. Die Bochumer Gruppe zeigte, dass die Reaktion in Form einer Kaskade in der Gelmatrix realisiert werden kann.

Ihre Ergebnisse hat das Team der Nachwuchsgruppe Mikrobielle Biotechnologie um Prof. Dr. Robert Kourist in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht: Álvaro Gómez Baraibar, Dennis Reichert, Carolin Mügge, Svenja Seger, Harald Gröger, Robert Kourist: A sequential one-pot cascade reaction combining an encap-sulated decarboxylase with metathesis for the synthesis of bio-based antioxidants, in: Angewandte Chemie International Edition, 2016, DOI: 10.1002/anie.201607777

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