Bierbrauen ist wohl der älteste und bekannteste biokatalytische Prozess, bei dem Hefen mit ihrer Stoffwechselaktivität die Maische in alkoholhaltiges Bier verwandeln. Riesige Kessel, sogenannte Fermenter, sind dafür als Behausung für die Mikoorganismen notwendig. Auch bei der Herstellung von Arzneimitteln oder Feinchemikalien kommt zunehmend die nachhaltige Produktionsweise der Biokatalyse zum Einsatz. Forscher der Universität Leipzig, der Universität Marburg und dem Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim haben nun eine Methode entwickelt, um die komplexen chemischen Abläufe im Bioreaktor, statt in großen Behältern, auf einem Mikrochip untersuchen zu können. Wie das Team in der Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society (2016, Online-Veröffentlichung) berichtet, konnten es auf dem Chip erstmals chemische Umwandlungen beobachten, an denen nur wenige Zellen beteiligt sind.

Zur Herstellung von Käse, Bier oder Wein ist die Biokatalyse ein gängiger Prozess. Diese nachhaltige und umweltschonende Produktionsweise, die sich natürlicher Biokatalysatoren wie Hefen, Bakterien und Pilze zur chemischen Umwandlung von Stoffen bedient, wird zunehmend auch von Pharmafirmen und Chemieunternehmen eingesetzt. Dieser komplexe Umwandlungsprozess läuft in der Industrie in sogenannten Fermentern im großen Maßstab ab.

Einzelne Zellen im Visier

Forscher aus Leipzig, Marburg und Mühlheim haben nun einen Mikrochip entwickelt, um die Biokatalyse in ihrer Gesamtheit auch im Miniformat nachvollziehen und beobachten zu können. Das Team um Detlev Belder und Manfred Reetz nahm dafür die enantioselektive – asymmetrische – Katalyse ins Visier. Hierbei werden mithilfe der Katalysatoren Substanzen hergestellt, die sich zwar wie eineiige Zwillinge ähneln, jedoch im Organismus schließlich unterschiedlich wirken. "Mit diesem Ansatz kann man potenziell sogar einzelne Zellen im Hinblick auf ihre Wirksamkeit in der enantioselektiven Biokatalyse unterscheiden", betont der Leipziger Forscher Detlef Belder.

Um die komplexe Stoffumwandlung zu untersuchen, bedienten sich die Wissenschaftler der Lab-on-a-Chip-Technologie. Auf diesem Minilabor platzierten sie komplexe chemische Prozesse und Untersuchungen in haarfeine Kanälen. Der Vorteil im Vergleich zum Fermenter: Statt Zigmillionen Zellen, reichten den Forschern wenige Zellen des Coli-Bakteriums, um deren Synthese zu Feinchemikalien oder potentiellen Medikamenten zu beobachten. "Eine wichtige Frage, die sich in diesem Zusammenhang stellt, ist, ob sich individuelle Zellen in der gewünschten Funktion unterscheiden, oder - bildlich gesprochen - ob sich einzelne Schafe anders als die Herde in ihrer Gesamtheit verhalten", erklärt Manfred Reetz. Das schwarze Schaf in der Zellengemeinschaft zu finden, gehört zu den nächsten Forschungsaufgaben, denen sich Reetz und Belder stellen wollen. Doch der Marburger Chemiker hat noch eine weitere Vision - mithlfe der neuen Lab-on-a-Chip-Methode will er ganzen Mutanten-Bibliotheken von Zellen im Hochdurchsatz durchforsten, um so gezielt nach neuen enantioselektiven Enzymen zu fahnden.