Durch weitere Verfeinerungen in der Technik ließe sich die Spotdichte sicherlich noch um ein Vielfaches erhöhen, sagt Nesterov-Müller. Bei dem Projekt ist Teamarbeit gefragt: An der Technischen Universität Braunschweig sucht die Arbeitsgruppe von Stefan Dübel nach Proteinen mit geeigneten Bindeeigenschaften.

Gemeinsam mit Ralf Hauser vom ebenfalls in Dresden beheimateten Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) leitet Hauser das Forschungsvorhaben. Die Bioverfahrenstechnikerin und der Werkstoffwissenschaftler wollen geeignete metallische Hohlkugeln und Metallschäume entwickeln. Das Problem: die funktionale Beschichtung der Metalloberflächen. Zum einen soll diese Beschichtung haftfest sein, sich also nicht ständig vom Metall lösen.

Gemeinsam mit dem Projektpartner ATG:biosynthetics GmbH aus Merzhausen bei Freiburg arbeitet Müller daran, für das Myxobakterium Myxococcus xanthus optimierte Expressionsboxen bereitzustellen. Diese DNA-Kassetten sind von den Experten so gestaltet worden, dass sie jeweils mindestens eine biokatalytische Funktion optimal erfüllen können. Die besondere Stärke des Systems liegt dann in der Kombination unterschiedlicher Boxen zu einem künstlichen Stoffwechselweg.

Den funktionellen Unterschied zwischen  L- und D-Aminosäure beschreibt Proteiningenieur Ulrich Schwaneberg so: „Das ist wie bei linksgängigen und rechtsgängigen Schrauben. Für ein gegebenes Gewinde lässt sich nun mal nur eine Schraube verwenden, die andere ist nutzlos.“ Schwaneberg und Böker wollen gemeinsam stereoselektive Membranen herstellen, die D- und L-Geschwistermoleküle voneinander trennen können.

Ob bei der Herstellung von chemischen Bausteinen oder von pharmazeutischen Wirkstoffen – bis auf wenige Ausnahmen findet die technische Nutzung von Enzymen bislang in wässriger Umgebung statt. Da viele chemische und pharmazeutische Produkte (und deren Vorläufer) in Wasser kaum gelöst werden können, schränkt dies die Einsatzbreite der Enzyme jedoch stark ein. Ein Ausweg ist der Einsatz von Emulsionen. Bislang wurden vor allem Mikroemulsionen untersucht.

Um die für eine Multienzym-Biokatalyse richtigen Bausteine miteinander zu verbinden, entwickeln die Forscher neue bioinformatische Methoden. Rechnergestützt sollen die entsprechenden biologischen Netzwerke geplant werden. Gerade in vollständigen Zellen gilt es aber noch ein anderes Problem zu lösen: Viele Stoffwechselprodukte werden nicht in der Zelle nicht nur zu dem jeweils gewünschten Molekül umgesetzt, sondern reagieren auch zu unerwünschten Nebenprodukten.

Das „Superenzym“ soll aus vielen Unterenzymen bestehen und mehrere Reaktionen parallel katalysieren. Dabei werden die einzelnen Proteine kovalent verbunden, so dass ein großes Fusionsproteinentsteht. Ein Teil davon wird ein Enzym aus der Gruppe der Cytochrom P450 Monooxygenasen sein. Einige dieser Enzyme sind besonders begehrt, da sie chemische Verbindungen synthetisieren können, die wiederum die Aroma- und Riechstoffindustrie interessieren. Um effizient arbeiten zu können, benötigen diese Enzyme aber sogenannte Koenzyme.

Die Materialien, sogenannte AB-Diblockcopolymere, bestehen prinzipiell aus zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten mit unterschiedlichen Grundbausteinen. Durch die geschickte Auswahl der beiden verwendeten Monomere können Leistungsfähigkeit und Stabilität der daraus hergestellten Membranen gesteuert werden. Abhängig von pH-Wert oder Temperatur lassen sich die Polymere schalten und erlauben so eine Auftrennung von Stoffgemischen nach Größe, Polarität oder Ladung.

Daran arbeitet die Nachwuchsgruppe von Uwe Jandt am Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik der Technischen Universität Hamburg Harburg (TUHH) im Rahmen des Projekts „Multiskalige Modellierung und Modifikation von Multienzymkomplexen als Basistechnologie für zellfreie Reaktionskaskaden“. 

Das Konsortium „Zellfreie Bioproduktion“ der Fraunhofer Gesellschaft vereint dafür Forscher von insgesamt acht Fraunhofer Instituten, um genau das zu erreichen. „Die Zusammenarbeit von Ingenieuren und Lebenswissenschaftlern hat hier besondere Bedeutung“, betonte Ulrich Buller aus dem Vorstand der Fraunhofer Gesellschaft bei der Eröffnung des zweiten Statusseminars, das Mitte März in Berlin stattfand.