Unter der Koordination von Annette Beck-Sickinger vom Institut für Biochemie der Universität Leipzig will der Forscherverbund deshalb gleich die Abkürzung nehmen: Statt den Umweg über die Reduktionsäquivalente zu gehen, sollen die Elektronen den Monooxygenasen direkt über die Elektrode bereitgestellt werden. Das Ziel ist ambitioniert, scheiterten in den vergangenen Jahren doch schon so manche Ansätze, die Elektronen von der Elektrode weg für enzymatische Reaktionen nutzbar zu machen.

Die Umwandlung von elektrischer Energie, etwa aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen, in chemische Energieträger mit Hilfe von Mikroben ist ein Konzept, das in den vergangenen Jahren zunehmend in den Fokus von Biotechnologen gerückt ist. Mit mikrobiellen Elektrosynthesen beschäftigen sich auch der Bioverfahrenstechniker Dirk Holtmann und der Elektrochemiker Klaus-Michael Mangold. Beide arbeiten unter demselben Dach: Dem DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI) in Frankfurt am Main.

Monolithe erlauben im Gegensatz zu kugelförmigen Packungsmaterialien einen rascheren Massentransfer zwischen stationärer und Transportphase – und dies bei sehr geringen Gegendrücken. Ein Phänomen, das Michael Buchmeiser vom Institut für Polymerchemie der Universität Stuttgart noch weiter verbessern will. Deswegen möchte er ein sogenanntes Hybrid-Trägermaterial herstellen. „Wir wollen in die polymere monolithische Matrix  Perlzellulose-Domänen einbetten“, sagt Buchmeiser.

Biosynthesen erfordern mehrere gekoppelte Enzymreaktionen. Da viele Substanzen nur teilweise in Wasser löslich sind, die meisten Enzyme hingegen in organischen Lösungsmitteln weniger aktiv oder sogar inaktiv sind, bleiben hier Biosynthesen im technischen Maßstab ein kompliziertes Unterfangen. Das Ziel des Projektes „EnzCaps“ ist es, synthetische, mit Enzymketten ausgestattete Mikrokapseln herzustellen. Dabei sollen die Enzyme auch beständig gegenüber organischen Lösungsmitteln sein.

Konventionelle Stofftrennverfahren sind nicht nur aufwändig und teuer, meist ist es auch schwierig, sie im Industriemaßstab einzusetzen. Aber auch im kleinen Maßstab, etwa in mikrofluidischen Systemen, in denen Flüssigkeiten von Reaktionsraum zu Reaktionsraum wandern, sind selektive Membranen für Trennschritte gefragt. Thomas Burg möchte sich eines äußerst selektiven Barrieresystems aus der Natur bedienen: Den Hydrogelen, die zum Beispiel im Kernporenkomplex der Zellkernhülle sitzen und dort für einen kontrollierten Import und Export von Molekülen sorgen.

Mehrstufen-Eintopfverfahren sind deswegen für industrielle Anwendungen attraktiv, weil sie Synthesen effizienter machen: es sind weniger Aufarbeitungs- und Reinigungsschritte nötig. Das macht solche Eintopfsysteme auch nachhaltiger, weil Abfälle reduziert werden können. Als ein Schlüssel für funktionierende Mehrstufen-Eintopfverfahren gilt die Kompatibilität der Einzelschritte miteinander. Das ist die große Herausforderung in dem Tandem-Projekt von Chemiker Gröger und Biotechnologen Hummel: Biokatalyse und Chemokatalyse miteinander zu kombinieren.

Zu den biomolekularen Prozessen in der Zelle, bei denen die dritte Dimension eine entscheidende Rolle spielt, zählen das sogenannte Metabolic Channeling und das Molecular Crowding. Ersteres beschreibt eine strukturelle Interaktion von Enzym-Molekülen, wodurch biosynthetische Zwischenprodukte direkt von katalytischem Zentrum zu katalytischem Zentrum transferiert werden. Der Begriff Molecular Crowding beschreibt das Gedränge der vielen Eiweiße in einer Zelle, das Auswirkungen auf die Bewegung und andere Eigenschaften der Moleküle hat.

Die Kombinationsmöglichkeiten im Erbgut sind scheinbar endlos, das macht folgende Überlegung deutlich: Jedes Protein besteht aus einer definierten Abfolge von Aminosäuren, von denen es rund 20 Varianten gibt. Das bedeutet: Wird ein Protein an nur sechs Stellen verändert, sind 64 Millionen unterschiedliche Variationen möglich. Ulrich Schwaneberg will nun ein System entwickeln, mit dem sich diese Vielzahl von unterschiedlichen Proteinvarianten schnell und kostengünstig durchmustern lässt.

Die Fabrik ist dabei keineswegs ein normales Gebäude aus Stahl und Beton, sondern ein biotechnologischer Fertigungsweg zur Synthese von maßgeschneiderten Glykokonjugaten für biomedizinische Anwendungen. Indem verschiedene zellfreie Multienzymsysteme miteinander kombiniert werden, sollen künftig Glykan-Wirkstoffe maßgeschneidert gefertigt werden. Das Problem bisher: „Die Entwicklung von Enzymmodulen ist bisher mit einem sehr hohen Zeitaufwand verbunden und hat öfters den Charakter einer Spezialanwendung, die nur wenig Flexibilität zulässt“, so Elling.

Für den Palmölanbau werden vor allem in Ländern wie Indonesien und Malaysia Regenwälder gerodet, Landnutzungsrechte missachtet und Lebensraum für Tiere zerstört. Ein kompletter Ersatz von Palmöl durch Soja-, Raps-, Sonnenblumen- oder Kokosnussöl wäre technisch in vielen Bereichen zwar möglich, würde aber weit mehr Fläche erfordern. Bei der Erschließung neuer landwirtschaftlicher Flächen würden weitere natürliche Lebensräume zerstört, dabei Treibhausgase freigesetzt und biologische Vielfalt vernichtet. Ein simpler „Boykottaufruf“ bietet also keine einfache Lösung.