Nützlich und zerstörerisch zugleich – so ließe sich der Effekt von Plasmen auf Biokatalysen beschreiben. Ein Plasma ist ein energiereiches Gas. Es kann wichtige Verbindungen zu einer Reaktion beisteuern, etwa Wasserstoffperoxid. Doch Enzyme werden durch den Kontakt mit Plasmen schnell inaktiviert. Forschende der Ruhr-Universität Bochum haben deshalb einen Prozess erdacht, der Enzyme während eine Biokatalyse mit Plasmen vor deren schädigenden Einflüssen schützt.

Plasma liefert Kosubstrat für die Biokatalyse

Das Team um Julia Bandrow und Tim Dirks hat dazu die Enzyme an kleine Kügelchen mit poröser Oberfläche fixiert. Die Kügelchen sorgen schon durch die Schwerkraft dafür, dass sie – und damit auch die Enzyme – am Boden des Bioreaktors verbleiben, während das Plasma sich darüber befindet. So kann das Plasma Wasserstoffperoxid bereitstellen, das die Enzyme als Cosubstrat für ihre Reaktion benötigen, ohne dass die Enzyme in direkten Kontakt kommen.

Die Forschenden testeten neun verschiedene Arten Kügelchen auf deren Schutzeffekt. Teilweise wiesen die Kugeln eine Oberfläche aus Harz auf, teilweise aus Silika. Manche waren mit Polymeren beschichtet. Jede dieser Kombinationen aus Kügelchen und Enzymen behandelte das Forschungsteam für fünf Minuten mit einem Plasma und verglich den Effekt mit unbehandelten Enzymen.

Bester Effekt mit kovalent gebundenen Beads

„Am besten schnitten die Amino- und Epoxy-Butyl-Beads ab“, berichtet Dirks. Das könnte darauf zurückzuführen sein, dass diese Kügelchen mit den Enzymen feste kovalente Bindungen eingehen, die nicht wieder auflösbar sind. „Diese Art der Immobilisierung scheint die Beweglichkeit der Enzyme einzuschränken, was sie weniger anfällig für plasmainduzierte Inaktivierungen macht“, folgert der Mikrobiologe.

Um die Praxistauglichkeit besser zu bewerten, führte das Team seine Versuche mit den Amino- und Epoxy-Butyl-Beads fort. Die daran fixierten Enzyme wurden bis zu einer Stunde Plasmen ausgesetzt. Dabei bewährte sich das neue Konzept: Die Kügelchen verbesserten die Stabilität der Enzyme im besten Fall um das 44-Fache.

Grundlage für Biokatalyse-Verfahren mit technischen Plasmen

„Die Erkenntnisse dieser Studie ebnen somit den Weg für neue Anwendungen, die in Zukunft Enzyme mit technischen Plasmen verbinden wollen“, resümieren die Forschenden. Details ihrer Experimente berichten sie im Fachmagazin "Journal of the Royal Society Interface".

bl