Enzyme stehen schon lange im Dienste des Menschen und führen Reaktionen aus, die chemisch nur schwer zu bewerkstelligen sind. Das Potenzial vieler pflanzlicher Enzyme jedoch liegt bis heute brach, denn sie lassen sich schwer in den gängigen Industrieprozessen nutzen. Vier Akteure auf diesem Gebiet haben sich im Projekt AELMON zusammen geschlossen, um die katalytischen Eigenschaften von pflanzlichen P450-Enzymen für die industrielle Nutzung zu erschließen. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Kombi-Projekt aus grüner und weißer Biotechnologie etabliert das Konsortium ein Verfahren, damit diese Enzyme zukünftig auch in gängigen Expressionssystemen hergestellt werden können.
Enzyme sind zu unersetzbaren Helfern der Industrie geworden. Sie werden zur Produktion von Lebensmitteln und Medikamenten eingesetzt, verrichten Ihre Dienste als Reinigungskraft in Waschmitteln und sind auch in der modernen Analytik nicht mehr wegzudenken. Doch pflanzliche Enzyme sind oft nur begrenzt verfügbar, da sie in den gängigen Expressionssystemen wie Hefen oder Bakterien meist nicht oder nicht in ausreichenden Mengen funktionsfähig hergestellt werden – dazu gehören auch P450-Enzyme, die Hauptakteure des AELMON-Projekts.
Vielfältig anwendbare Enzym-Klasse
P450-Enzyme führen Oxidationsreaktionen durch, indem sie Sauerstoff aus der Luft in den Ausgangstoff einbringen. Dadurch werden beispielweise Medikamente im menschlichen Körper durch die Aktivität der immer vorhandenen P450 wasserlöslicher – sprich hydrophiler, und können besser vom Körper aufgenommen und im Blut transportiert werden. Das neue Konsortium hat zum Ziel, ein allgemeingültiges Produktionsverfahren zu etablieren und an ausgewählten P450 Enzymen die Herstellung funktionalisierter Terpene und Fettsäuren zu zeigen; Produkte, die nicht nur Modellcharakter haben, sondern beispielweise auch für die pharmazeutische sowie die Klebstoff- und Polymerindustrie von hohem Interesse sind.
Vermittler für die Enzymregeneration
AELMON, dieses Projekt-Kürzel steht für „Artifizieller Elektronentransfer und pflanzliche Monooxygenasen als Basis innovativer Katalysesysteme“. Der Forschungsverbund wird für die Dauer von drei Jahren mit rund 1,2 Millionen Euro im Rahmen der Förderinitiative „KMU-innovativ:Biotechnologie“ unterstützt. „Um zielgenau voran zu kommen bringen wir unterschiedliche Expertisen der Enzym-Biotechnologie zusammen“, erklärt Projektleiter und Phytowelt-Geschäftsführer Peter Welters.
Der Spezialist für die Bioelektrochemie im Team ist das Dechema Forschungsinstitut: Die Frankfurter Forscher entwickeln ein System, um schlappe Enzyme zu regenerieren. „Wenn P450 eine Oxidation durchführt, dann werden Elektronen auf das zu oxidierende System übertragen“, erklärt Welters, promovierter Biochemiker und Gründer der Phytowelt. In der Natur werden diese Elektronen über verschiedene Stoffwechselketten wieder dem Enzym zugeführt. Das Enzym regeneriert. Außerhalb der Pflanzenzelle fehlen diese Vermittler. „Wir möchten ein Verfahren entwickeln, um dem Enzym fehlende Elektronen elektrochemisch zurückzuführen. Damit ist es wieder fit für neue, zu katalysierende Reaktionen“, erklärt der Projektleiter von der Dechema, Dirk Holtmann.
BMBF-geförderten Forschungsinitiativen für kleine und mittlere Unternehmen.
Die Reaktionspartner räumlich annähern
Die Wissenschaftler der Autodisplay Biotech GmbH erforschen Möglichkeiten, um die räumliche Zugänglichkeit der Enzyme für elektrochemische Verfahren zu verbessern. Dafür präsentieren sie ausgewählte P450-Enzyme an der Oberfläche von E. coli Bakterien. Die Abteilung für Biotechnologie der Pflanzen an der Westfälischen Wilhelm Universität ist der Vierte im Enzymexperten-Bund. Das Team um Dirk Prüfer hat die Aufgabe, den Mediator – sprich den Überbringer der Elektronen – mit dem P450-Enzym zusammenzubringen. Dafür verwenden die Tüftler einen Matrixprotein-Marker, um die Reaktionspartner wie bei einer Magnetwirkung räumlich anzunähern. Die Nettetaler Phytowelt koordiniert das Gesamtprojekt und bringt ihre Pflanzenexpertise und die der heterologen Expression von Pflanzenenzymen in das Projekt mit ein. Noch stehen die Forscher am Anfang ihrer Arbeiten, die im Dezember vergangenen Jahres begonnen haben. Die Forscher sind schon gespannt, zu welchen Leistungen die neue Generation pflanzlicher Enzyme fähig sein wird.
Autorin: Andrea van Bergen
Funktionsweise der P450 Enzyme im natürlichen System im Vergleich zu den in Aelmon untersuchten Verfahren.
