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.

Die folienartigen Kunststoffmembranen sollen selektiv nur bestimmte Moleküle passieren lassen und so verschiedene Reaktionsräume, sogenannte Kompartimente, voneinander abgrenzen. Der Name SeleKomM steht daher auch für „Selektive Kompartiment-Membran“. Rosenaus Team arbeitet mit zwei weiteren  Arbeitsgruppen der Universität Ulm um Tanja Weil beziehungsweise Kay Gottschalk speziell an der Herstellung dieser robusten Membranfolien.

Während in vielen Branchen, zum Beispiel der Automobilindustrie und der Entwicklung elektronischer Komponenten, neue Produkte fast vollständig mit Hilfe von Modellierung und Simulation entwickelt werden, stehen diese Ansätze für Probleme der Biotechnologie noch am Anfang einer Entwicklung. Noch gilt es, allgemeine Grundsätze für den Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften von Proteinen zu klären. Dazu wollen Berensmeier und Wenzel mit ihrem Projekt beitragen.

Sonnenstrahlen einfangen und in Form von energiereichen Zuckermolekülen speichern – das ist eine physikalisch-chemische Meisterleistung, die die Natur in den vergangenen Jahrmillionen auf ihre Weise perfekt gelöst hat. Nur zu gerne würden Biophysiker die Photosynthese zumindest in Teilen nachahmen, um so energiereiche chemische Verbindungen herzustellen.  Dieses Ziel verfolgen auch die Forscher in dem Tandem-Projekt „Nutzung von Sonnenenergie für die Bioelektrokatalyse – Entwicklung von Photobioelektrodenstrukturen“.

Mit dem Projekt wollen die Forscher um Ramona Samba vom NMI in Reutlingen und Martin Weissenborn vom Institut für Technische Biochemie in Stuttgart einen Beitrag dazu leisten, Oxidationsreaktionen im industriellen Maßstab zu etablieren. „In das Tandemprojekt bringen wir unsere Erfahrungen zur Mikrosystemtechnik und der Elektrochemie ein“, sagt Ramona Samba. Das Stuttgarter Team um Martin Weissenborn und Bernhard Hauer beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung der Enzyme.