Wieder einmal ist die Natur das Vorbild: Viele chemische Reaktionen erfordern viel Energie, damit sie schnell oder auch überhaupt ablaufen. Lebende Zellen haben das durch Enzyme gelöst, die für die Reaktionen als Katalysatoren wirken. Oftmals tragen diese Enzyme in ihrem reaktiven Zentrum Metallionen. Dieses Prinzip möchte ein neuer Forschungsverbund nun nachahmen, um für wichtige chemische Reaktionen den Bedarf an Energie und Rohstoffen zu verringern. Das auf den Namen BioOxCat getaufte Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit 3,3 Mio. Euro für vier Jahre gefördert. Beteiligt sind mehrere Universitäten sowie Max-Planck-Institute unter der Leitung der Universität Bielefeld.

Katalyse von Eisenenzymen nachahmen

„Jeder Prozess in der Industrie soll möglichst katalytisch gefahren werden“, sagt Projektsprecher Thorsten Glaser von der Universität Bielefeld. Das Problem sei jedoch, dass es bisher nicht für alle Prozesse genügend gute Katalysatoren gebe. „Insbesondere für schwierige Reaktionen hat die Industrie noch keine effizient genug arbeitenden Katalysatoren gefunden.“ Die Natur verwende für komplexe Reaktionen immer Enzyme mit Metallen, sogenannte Metalloenzyme. Besonders oft handele es sich bei dem Metall um Eisen. „Deswegen ahmen wir in unserer Forschung die Katalyse von Eisenenzymen nach“, erläutert Glaser den Forschungsansatz. Auf diese Weise soll Prozessenergie gespart und der Einsatz fossiler Rohstoffe verringert werden. „Wir brauchen diese begrenzt verfügbaren Rohstoffe vielmehr für die Herstellung von Arzneimitteln, Baustoffen oder Kunststoffen“, findet der Projektleiter. „Mit den Ergebnissen unserer Forschungsgruppe möchten wir für die chemische Industrie energiesparende Verfahren etablieren, um die Herstellung von Grundstoffen zu unterstützen.“

Bisherige Ansätze bleiben hinter der Natur zurück

Erste Ansätze haben die Forschenden bereits erprobt, doch die Funktionalität der bislang entwickelten Katalysatoren bleibt weit hinter der der natürlichen Vorbilder zurück. Glaser vermutet: „Das 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.“ Am Ende der Forschungszeit wolle man außerdem soweit sein, dass die mit den Enzymen zusammenhängenden Prozesse so einfach sind, dass sie sich für die Industrie eignen.

Herstellung von Methanol, Arzneimitteln und mehr

Die Projektbeteiligten haben mehrere konkrete Anwendungen im Blick. Unter anderem wollen sie die Methan-Monooxygenase nachahmen, ein Enzym, dass die Reaktion von Methan und Sauerstoff zu Methanol antreibt. Ein anderes Ziel ist die Nachbildung bestimmter Enzyme, die mit Schwefel reagieren – eine Anwendung, die vor allem für die pharmazeutische Industrie interessant ist. Offiziell beginnen wird die geförderte Forschung an diesen und weiteren Zielen im Juli 2022.

bl