Enzyme bilden den Kern der Biotechnologie. Als Biokatalysatoren sollen sie der chemischen Industrie bei der Abkehr von umweltschädlichen Prozessen helfen und besonders nachhaltige Prozesse ermöglichen. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben die Enzyme nun in eine neue Form gebracht: Als Schäume erweisen sich die Biokatalysatoren als ausgesprochen stabil und aktiv. Über ihre Entwicklung berichten die Fachleute im Journal „Advanced Materials".

Voll-Enzym-Schäume haben höhere Aktivität

Verschäumt man Enzyme, verändern sie normalerweise ihre Struktur und verlieren damit auch ihre spezifische Funktion. Das KIT-Team hat jedoch ein inzwischen zum Patent angemeldetes Verfahren entwickelt, das dieses Problem umgeht. Der Schaum weist eine einheitliche Blasengröße von etwa 160 Mikrometern Durchmesser auf. „Es handelt sich dabei um monodisperse ‚Voll-Enzym-Schäume‘, also dreidimensionale, poröse Netzwerke, die ausschließlich aus biokatalytisch aktiven Proteinen bestehen“, beschreibt Christof Niemeyer vom KIT die Zusammensetzung der neuen Materialien.

Bislang wurden Enzyme meist auf Polymeren oder Trägerpartikeln immobilisiert. Dadurch konnte nur in einem Teil des Bioreaktorvolumens die eigentliche Reaktion stattfinden. „Im Vergleich zu unseren bereits entwickelten ‚Voll-Enzym-Hydrogelen' entsteht bei den neuen Materialien auf Schaumbasis eine deutlich größere Oberfläche, an der die gewünschte Reaktion stattfinden kann“, erläutert Niemeyer den Vorteil.

Stabiler als Enzyme ohne Schäume

Doch nicht nur die Dichte der Enzyme steigt und damit die mögliche Rate, in der die Biokatalysatoren einen Stoff umsetzen können. Es entsteht auch ein Vorteil für die Anwendung: „Erstaunlicherweise sind die neu entwickelten Enzymschäume nach der Trocknung für vier Wochen deutlich stabiler als die gleichen Enzyme ohne Schäume“, berichtet Niemeyer. Dies sei für die Vermarktung von großem Interesse, da hierdurch Vorratsproduktion und Versand erheblich vereinfacht würden.

In einem Praxistest demonstrierte das Team, dass mithilfe seiner Enzymschäume der Zucker Tagatose hergestellt werden kann. Er gilt als industriell interessante Alternative zu raffiniertem Zucker. Grundsätzlich jedoch können den Forschenden zufolge Enzymschäume überall in der Biotechnologie eingesetzt werden, um Prozesse effizienter zu gestalten – von der industriellen Biotechnologie über die Lebensmittelbiotechnologie bis in den Bereich der Materialwissenschaften.

bl