Druck und Temperatur – das sind neben dem pH-Wert und den Reaktandenkonzentrationen oft die wichtigsten Parameter einer chemischen Synthese. Doch auch in biotechnologischen Prozessen kann Druck eine entscheidende Rolle spielen und die Arbeit der Enzyme beeinflussen. Bislang ist darüber jedoch wenig bekannt. Die strategische Allianz „prot P.S.I.“ (Protein Pressure Specific Activity Impact) will daran etwas ändern.
In der Lebensmittelindustrie etabliert
„Innovationen entstehen durch die Übertragung von Technologien in andere Wissenschaftsgebiete“, sagt Andreas Liese, Bioverfahrenstechniker an der TU Hamburg. „Druck ist so ein Thema.“ Gemeinsam mit Gregor Liebsch von der Firma PreSens Precision Sensing leitet er das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) seit Januar 2018 mit rund 7,5 Mio. Euro geförderte Projekt „prot P.S.I.“. Sie ist eine von deutschlandweit acht strategischen Allianzen der "Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie". In Asien und auch Nordamerika sei hoher Druck in Bioprozessen bereits ein Thema, schildert der Forscher. So würden in der Lebensmitteltechnologie beispielsweise Drücke von 6.000 bar – dem 6.000-fachen Atmosphärendruck – genutzt, um in der Fruchtsaftherstellung Proteine zu denaturieren und so Bräunungsreaktionen zu verhindern. Der dazu nötige wenige Sekunden kurze Wasserschock denaturiert spezifisch Proteine und verändert die Textur der Säfte weit weniger, als das bei dem in Europa üblichen thermischen Verfahren der Fall wäre.
Doch das aktuelle Forschungsprojekt interessiert sich für den Zwischenbereich – zwischen den heute üblichen niedrigen Reaktionsdrücken und den etwa 3.000 bar, oberhalb derer die Denaturierung erfolgt. „Unter 300 bar beobachtet man positive Effekte, sowohl bei der Stabilität der Enzyme als auch bei deren Aktivität“, erläutert Liese. So wisse man zum Beispiel auch, dass die von hoher Temperatur oder hohem Druck erzeugten Schäden am Enzym sich manchmal verringern, wenn man beide Parameter zugleich erhöht. Außerdem lässt sich durch den Druck das Reaktionsgleichgewicht verschieben, mit dem Effekt, dass mehr vom Ausgangsstoff zum Produkt umgesetzt wird. „Wir wollen daher den Druck als neuen Parameter in der biotechnologischen Industrie einführen.“
Im richtigen Verhältnis zur Temperatur kann ein hoher Druck die Stabilität von Enzymen erhöhen.
Mögliche Sorgen vor dem Umgang mit dem hohen Druck möchte Liese gleich entkräften: „Druck kann natürlich gefährlich sein, aber wir sprechen hier vorrangig von Flüssigreaktionen und nicht von Gasen.“ Jeder, der einen Ultrahochleistungsflüssigkeitschromatographen nutze, habe heute schon ein Gerät auf der Werkbank stehen, das mit 1.000 bar arbeite.
Proteine für den 3D-Druck
Weil das Thema noch so neu ist, geht es im Forschungsprojekt sowohl darum, Grundlagenverständnis vom Verhalten der Proteine unter Hochdruck zu gewinnen und neue Technologien zu entwickeln als auch erste Prozesse mit entsprechenden Produkten zu erproben, stets mit dem Ziel, möglichst schnell aus dem Labor in Industrieanwendungen zu kommen. Im Fokus stehen dabei kontinuierlich geführte Prozesse, weil diese für die Industrie von besonderem Interesse sind, beispielsweise um Proteine im 3D-Druck einzusetzen. „Wie kann man solch einen Prozess bei 1.000 bar beproben?“, stellt Liese eine der Fragen des Projekts. Dazu müssen beispielsweise geeignete Ventile entwickelt werden und es werden neue Methoden der Online-Analytik benötigt, die auch unter Hochdruck funktionieren.
Die 16 Projektpartner haben die Fragestellungen deshalb auf drei Projektbereiche aufgeteilt. Im ersten Bereich geht es um die Analyse der Proteinstrukturen unter Hochdruck. „Man beobachtet die Zusammenhänge mit Druck und Temperatur bislang vornehmlich phänomenologisch und es gibt viele Spekulationen“, erläutert Liese, „aber eine Erklärung für die höhere Stabilität fehlt.“ Der Wissenschaftler hofft zwar, dass das Projekt zu einem Teil der Erklärung beitragen kann, doch vor allem möchten die Projektpartner herausfinden, bei welchen Werten für den Druck die jeweiligen Proteine optimal arbeiten.
Das Team des Projekts "prot P.S.I." erforscht das Verhalten von Proteinen unter hohen Drücken.
Entwicklung von Anlagenbauteilen
Der zweite Projektteil widmet sich der schon angesprochenen Technologieentwicklung. Hier erlaubt fluoreszenz-optische Sensorik der Firma PreSens kabellos und ohne elektrisches Potenzial am Messort inline und online durch transparente Fenster in der Reaktorwand die Überwachung kritischer Reaktionsparameter. Ein Ventil für die Beprobung unter Hochdruck hat die Firma Horiba in Kooperation mit Hoc Khiem Trieu von der TU Hamburg-Harburg bereits konzeptionell entwickelt, geeignete Messquellen werden derzeit am DESY in Hamburg getestet. Auch soll in diesem Projektteil untersucht werden, wie sich Gase in Flüssigkeiten unter Druck einbringen lassen. Am Ende der Entwicklungsarbeit sollen industrietaugliche Bauteile stehen.
Im dritten Teilprojekt wird es noch einen Schritt konkreter, es geht an die Entwicklung und Implementierung echter Biosyntheseprozesse unter Druck. „Ein Knackpunkt bei der kontinuierlichen Biotransformation unter Druck ist, dass die Anbindungsmaterialien zur Immobilisierung von Enzymen, das heißt, zum Rückhalt der Biokatalysatoren, druckstabil bei über 1.000 bar sein müssen“, erklärt Liese. Entsprechend werden im Projekt eine Reihe von Kombinationen als Trägermaterialien erprobt. Zeigen konnten die Forscher außerdem bereits, dass sich über den Druck tatsächlich das Reaktionsgleichgewicht zu Gunsten des Produkts verschieben lässt.
Projektpartner
Forschung
TUHH – Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik, Institut für Mehrphasenströmungen, Institut für Technische Biokatalyse, Institut für Mikrosystemtechnik; Universität Hamburg – Zentrum für Bioinformatik
Industrie
BioSolveIT GmbH; DESY; EMBL; GALAB Laboratories GmbH; Hochschule Furtwangen; Horiba GmbH; PreSens GmbH; Schaefer Kalk GmbH & Co. KG; Schoop GmbH; suna-precision GmbH
Von Pre-Nahrung bis zu Aromen
Zu den Produkten, für die die Projektpartner „effiziente, nachhaltige Prozesse“ entwickeln möchten, gehört Sialyllactose, wichtiger Bestandteil in Pre-Nahrung für Säuglinge. Aber auch Prozesse für Neuraminsäure für den Aromamarkt und für Carbonate für diverse Chemikalien sind Teil der Forschung.
Die erste Projektphase läuft Ende 2020 aus. Ob am Ende die Energiekosten für den Hochdruck durch die höhere Prozesseffizienz wettgemacht werden wird, „das hoffen wir, aber noch haben wir keine finalen Prozessparameter“, resümiert Liese. Der Antrag für eine zweite Projektphase ist deshalb schon in Arbeit.
Autor: Björn Lohmann
