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.

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.