Bay­reu­ther For­scher ent­decken lei­stungs­star­ken Bio­ka­ta­ly­sa­tor

Auf dem Weg zur Bio­öko­no­mie

Prof. Dr. Frank Hahn. Foto: UBT.

Prof. Dr. Frank Hahn. Foto: UBT.

In der Bio­öko­no­mie tre­ten bio­tech­no­lo­gi­sche Ver­fah­ren an die Stel­le von Syn­the­se­ver­fah­ren, die fos­si­le Res­sour­cen ver­brau­chen. Mikro­or­ga­nis­men und Enzy­me wer­den dabei als Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren gezielt für die indu­stri­el­le Pro­duk­ti­on genutzt. For­scher der Uni­ver­si­tät Bay­reuth haben jetzt ein Enzym ent­deckt, das als Bio­ka­ta­ly­sa­tor gro­ße Vor­tei­le bie­tet. Es eig­net sich her­vor­ra­gend für die Her­stel­lung von Wirk­stof­fen aus dem Bereich der Natur­stof­fe. Her­kömm­li­che Syn­the­se­ver­fah­ren die­ser Wirk­stof­fe, die ein brei­tes medi­zi­ni­sches Anwen­dungs­spek­trum haben, sind dage­gen sehr auf­wen­dig. In der Zeit­schrift „ACS Cata­ly­sis“ stel­len die For­scher um Prof Dr. Frank Hahn ihre Ent­deckung vor.

Bio­tech­no­lo­gi­sche Her­stel­lung von Natur- und Wirk­stof­fen

Die Natur hält eine Fül­le von Sub­stan­zen bereit, die für den Men­schen gro­ßen medi­zi­ni­schen Nut­zen haben kön­nen. Auf­grund ihrer kom­ple­xen Struk­tu­ren kön­nen die­se Natur­stof­fe aber häu­fig nur unter gro­ßem Auf­wand mit übli­chen che­mi­schen Ver­fah­ren pro­du­ziert wer­den. Ein viel­ver­spre­chen­der Lösungs­an­satz ist die Ver­wen­dung von Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren, mit deren Hil­fe sich die Her­stel­lung oft erheb­lich ver­ein­fa­chen lässt. Bei dem neu­en von den Bay­reu­ther For­schern ent­deck­ten Bio­ka­ta­ly­sa­tor han­delt es sich um das Enzym AmbDH3. Damit kön­nen ring­för­mi­ge Bau­stei­ne von Natur­stof­fen, soge­nann­te Tetra­hy­dro­py­ra­ne, her­ge­stellt wer­den. Sie bewir­ken oft die bio­lo­gi­sche Akti­vi­tät von Natur­stof­fen und spie­len daher eine wich­ti­ge Rol­le bei medi­zi­ni­schen Anwen­dun­gen.

In ihrer Stu­die ist den Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­lern der Nach­weis gelun­gen, dass sich mit AmbDH3 der anti­bio­tisch akti­ve Wirk­stoff­kan­di­dat „(–)-Cen­tro­lo­bin“ her­stel­len lässt. Auf die­ser Basis will das Bay­reu­ther For­schungs­team die Syn­the­se wei­te­rer, noch kom­ple­xe­rer Natur­stof­fe in Angriff neh­men. Ein Bei­spiel sind die Bryo­sta­ti­ne, die wegen ihrer anti­vi­ra­len Akti­vi­tät von gro­ßem Inter­es­se für die Wirk­stoff­for­schung sind. Sie könn­ten auch für die Behand­lung von Krebs und Alz­hei­mer in Fra­ge kom­men.

Ein viel­sei­ti­ger und lei­stungs­star­ker Bio­ka­ta­ly­sa­tor

Tetra­hy­dro­py­ra­ne sind ring­för­mi­ge Mole­kü­le, die der che­mi­schen Grup­pe der Hete­ro­zy­klen ange­hö­ren. Die For­schungs­grup­pe von Prof. Dr. Frank Hahn an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth zeigt in ihrer neu­en Stu­die, dass mit Hil­fe des Bio­ka­ta­ly­sa­tors AmbDH3 sehr zahl­rei­che und sehr unter­schied­li­che Hete­ro­zy­klen gewon­nen wer­den kön­nen. Dabei hat der neue Bio­ka­ta­ly­sa­tor den Vor­zug, dass die räum­li­che Struk­tur der ent­ste­hen­den ring­för­mi­gen Mole­kü­le prä­zi­se gesteu­ert wer­den kann. Zudem ist AmbDH3 ein sehr sta­bi­les Enzym und für die Her­stel­lung gro­ßer Men­gen der jeweils gewünsch­ten Sub­stanz geeig­net. Bis­her war kein Bio­ka­ta­ly­sa­tor bekannt, der all die­se Eigen­schaf­ten auf sich ver­eint.

AmbDH3 haben die Wis­sen­schaft­ler bei der Unter­su­chung von Bak­te­ri­en ent­deckt, die die­ses Enzym ver­wen­den, um Ambru­ti­cin zu bil­den. Hier­bei han­delt es sich um einen Wirk­stoff­kan­di­da­ten zur Bekämp­fung von Pilz­krank­hei­ten.

Auf dem Weg zur nach­hal­ti­gen Bio­öko­no­mie

„Künf­ti­ge Anwen­dun­gen für das Enzym AmbDH3 erwar­te ich vor allem in der Her­stel­lung phar­ma­zeu­ti­scher Wirk­stof­fe, aber auch in der Syn­the­se von Fein­che­mi­ka­li­en. Unse­re For­schungs­grup­pe ist zuver­sicht­lich, dass wir wei­te­re, mit AmbDH3 ver­wand­te Enzy­me ent­decken kön­nen, die das Reper­toire der Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren noch ein­mal deut­lich erwei­tern. Unse­re Arbei­ten bele­gen: Die Bio­ka­ta­ly­se kann wesent­lich dazu bei­tra­gen, eine stär­ker auf natür­li­che Res­sour­cen zurück­grei­fen­de Wirt­schafts­wei­se zu eta­blie­ren. Sie lei­stet damit einen Bei­trag zur Lösung zen­tra­ler gesell­schaft­li­cher Her­aus­for­de­run­gen“, sagt Hahn, der mit sei­nem Team an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth das Wirk­stoff­po­ten­zi­al von Natur­stof­fen und das syn­the­ti­sche Poten­zi­al von Bio­syn­the­se-Enzy­men erforscht.

Die Wei­ße Bio­tech­no­lo­gie ist für die Ent­wick­lung einer nach­hal­ti­gen Bio­öko­no­mie unver­zicht­bar. Indem Mikro­or­ga­nis­men oder Enzy­me die Pro­duk­ti­on von Sub­stan­zen über­neh­men, die bis­her durch ‚künst­li­che‘ che­mi­sche Syn­the­se­ver­fah­ren gewon­nen wur­den, wird Ener­gie ein­ge­spart, und es kom­men deut­lich weni­ger gif­ti­ge Che­mi­ka­li­en zum Ein­satz. An sol­chen scho­nen­den Ver­fah­ren besteht gro­ßes Inter­es­se sei­tens der che­mi­schen und phar­ma­zeu­ti­schen Indu­strie. „Durch neue Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren kön­nen Berei­che, die bis vor kur­zem noch der tra­di­tio­nel­len che­misch-syn­the­ti­schen Metho­do­lo­gie vor­be­hal­ten waren, für die Bio­öko­no­mie erschlos­sen wer­den. Es wird in Zukunft dar­um gehen, die Vor­tei­le bei­der For­schungs- und Ent­wick­lungs­an­sät­ze ziel­füh­rend mit­ein­an­der zu kom­bi­nie­ren“, erklärt Hahn.

For­schungs­för­de­rung:

Die jetzt in „Cata­ly­sis“ publi­zier­te Stu­die wur­de von der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft (DFG) im Rah­men einer Emmy Noe­ther-Nach­wuchs­grup­pe, durch einen Care­er Inte­gra­ti­on Grant der Euro­päi­schen Uni­on und ein Pro­mo­ti­ons­sti­pen­di­um der Deut­schen Bun­des­stif­tung Umwelt (DBU) unter­stützt.

Ver­öf­fent­li­chung:

Tim Hollmann, Gesche Berk­han, Lisa Wag­ner, Kwang Hoon Sung, Simon Kolb, Hen­drik Gei­se, Frank Hahn: Bio­ca­ta­lysts from Bio­syn­the­tic Pathways: Enab­ling Ste­reo­selec­ti­ve, Enzy­ma­tic Cycloe­ther For­ma­ti­on on a Gram Sca­le. ACS Cata­ly­sis (2020), doi: http://​dx​.doi​.org/​1​0​.​1​0​2​1​/​a​c​s​c​a​t​a​l​.​9​b​0​5​071