Aminosäure -Der Baustoff des Lebens-

Aminosäuren kommen in jedem Lebewesen dieser Welt vor und sind unverzichtbar für die Funktion einer Zelle. Diese sind fern der Erde vorhanden und kommen sogar in Kometen und eventuell auch in Gaswolken im Weltall vor. Sie bilden zusammen mit der DNS die Grundlage für komplexe sich selbst replizierende Systeme.  Diese wunderbaren Moleküle werden entweder im Organismus selbst hergestellt oder müssen über die Nahrung aufgenommen werden (essentielle Aminosäuren).

alpha-Aminosäure.   (R= Seitenkette)

Als Polymer (über Peptidbindung miteinander verknüpft) spricht man bei α-Aminosäuren von Peptiden (bei kurzen Ketten) und ab einer gewissen Größe bei langkettigen Verbindungen von Proteinen. Sie können komplexe Strukturen bilden die Reaktionen katalysieren, Signale übertragen und Signale abschalten.

Lebensmittel Aminosäure

Da Aminosäuren eine solche Wichtigkeit für uns haben, ist der Bedarf nach Lebensmitteln die diese enthalten enorm groß. Daher ist es kein Wunder das uns Aminosäuren besonders gut schmecken können. Als unverknüpfte Aminosäuren können sie unseren Geschmack  wesentlich beeinflussen. So kann die „Würzigkeit“ intensiviert werden (Glutaminsäure) oder der Zunge vorgespielt werden, dass Essen sei süß (Beispiele Glycin oder das Dipeptid Aspartam). Unser Geflügel, welches im Übrigen eine Aminosäure-Quelle für uns darstellt, benötigt gar weniger Futtermittel wenn die essentielle Aminosäure Methionin dem Futtermittel zugesetzt wird. Diese ist zumeist in Futtermittel wie Soja/Weizen nur in geringen Konzentrationen erhalten. Synthetisches Methionin ist zwar Erdöl basiert, jedoch kann man  ihm  zugute halten das 1 kg Methionin ca. 50 kg Fischmehl (34 kg Sojamehl) als Futterzusatz ersetzen kann.  Dem Klima kommt dagegen zugute das die benötigte Fläche von Ackerland und damit eingesparter Dünger und weniger Waldrodung für die Geflügelzucht bedeutet. Als Folge sinkt damit der Bedarf an importiertem Soja, was weniger Transporte über die Weltmeere bedeutet und in der Summe die CO2 Bilanz  verbessert.

Ein anderes Beispiel für die Rolle von Aminosäuren in unseren Lebensmitteln ist der Süßstoff Aspartam. Dieser besteht aus den beiden Aminosäuren Phenylalanin (verestert) sowie Asparaginsäure die über eine Peptidbindung (C-N) verknüpft sind. Prinzipiell eine gute Sache, weniger Zucker in unseren Lieblingsgetränken und Speisen, dafür aber trotzdem süßer Geschmack. Jedoch gibt es auch bedenken über den in der EU zugelassenen Süßstoff. Dieser steht in der Diskussion da einige Studien besagen er sei unbedenklich andere dagegen zu dem Schluss kommen er sei Gesundheitsschädlich und das obwohl dieser Süßstoff aus nur zwei Aminosäuren besteht die in jedem Körper vorkommen. Statt unserer Gesundheit zu schaden können Aminosäuren und Peptide als Bestandteil von Medikamenten im Gegenzug unsere Gesundheit auch erhalten. Wiederum werden einige Aminosäuren  damit beworben, dass sie besonders wichtig für den Aufbau der Muskulatur  sind (beim Training) oder besonders hilfreich beim Abnehmen, Stoffwechselerkrankungen oder im Fall von Diabetis wirken können. Der Effekt und die Wirkung bleiben auch hierbei teilweise umstritten und sind Gegenstand der Forschung. Alles in allem spielen die Aminosäuren in unserem Leben eine große, wenn auch oft unbewusste, Rolle.

Vielfalt Aminosäure

Die Natur beschränkt sich darauf weitestgehend  20 verschiedene α-Aminosäuren zu verwenden, die alle bereits im letzten Jahrtausend vor dem zweiten Weltkrieg entdeckt wurden. Die neuere Forschung konnte sogar zeigen das es 23 proteinogene, also proteinbildende, Aminosäuren gibt. Diese Aminosäuren unterscheiden sich vor allem durch ihre Ladung (Sauer/Basisch), als auch durch ihre Hydrophobizität oder Hydrophilizität. Außerdem ermöglichen manche unter Ihnen die Bildung von kovalenten Bindungen über ihre Seitenkette, so z.B. Cystein, und sorgen so für die Quervernetzung innerhalb oder zwischen Aminosäureketten.  Die Aminosäure und ihre Polymere bilden mehr oder weniger stabile Proteinstrukturen die wichtige Funktionen auf molekularer Ebene erfüllen. Stellte man sich die Zelle als Rechner vor, so wäre die DNS unser Speicher, auf dem die Anleitung für den Bau und die Funktionsweise des Rechners gespeichert sind und die Proteine wären fast die vollständige Hardware zur Ausführung von Rechenoperationen, Eingabe von Daten (Rezeptoren) unter gleichzeitiger Wartung und Reperatur des Systems. Als katalytisch wirkende Proteine, auch Enzyme genannt, versorgen sie die Zelle mit Energie (z.B. über den Abbau von Zucker oder Fett). Die Einheit Zelle ist somit weitestgehend autark und muss nur mit Nährstoffen versorgt werden.

Neue Aminosäuren

Möchte man nun neue Funktionen erhalten, die so die Natur noch nicht vorgesehen hat,  kommt man mit 20 oder 23 natürlichen proteinogenen Aminosäuren nicht viel weiter. Daher hat die organische Chemie ein großes Repertoire an vielen verschiedenen Derivaten entwickelt. Einziger haken, es fehlt teilweise der passende Katalysator um enantioselektiv Aminosäuren zu synthetisieren. Neben den Standard α-Aminosäuren (α bezeichnet die Stellung der Aminogruppe zur Säuregruppe im Molekül) gibt es viele verschiedene β und Aminosäuren die andere Konfigurationen aufweisen. Die Natur bildet nur in wenigen Fällen andere als α-Aminosäuren und bis dato gibt es in der Regel keine natürlichen Proteine mit β-Aminosäuren. Aber dieser Sachverhalt könnte gerade für die Entwicklung von therapeutischen Peptiden und Proteinen von Bedeutung sein. Baut man diese besonderen Aminosäuren in Peptide und Proteine ein, können diese nicht mehr effizient von Proteasen ( Enzyme die Proteine spalten) abgebaut werden. Außerdem ermöglichen sie Strukturmuster in Proteinen zu bilden die so mit keiner α-Aminosäure möglich wären.

Beispiele von verschiedenen Peptiden mit alpha und beta-Aminosäuren. Autor:Chryx88 CC BY-SA 3.0

Das liegt daran, dass zwischen den Peptidbindungen jeweils ein weiteres Kohlenstoffatom liegt, dadurch erhält jede Aminosäure neue Möglichkeiten wie diese gedreht werden kann, bzw. welche Interaktionen innerhalb einer Kette zwischen den Aminosäuren statt finden können. Bei α Aminosäuren die aneinander geknüpft sind gibt es bestimmte Strukturen die in jedem Protein in einer ähnlichen Art und Weise vorkommen. Diese Strukturelemente werden als Sekundärstruktur bezeichnet. Hierbei gibt es Strukturen die als Faltblätter, Helices oder als Zufallsknäuel bezeichnet werden. Diese wiederum sind die Grundlage für noch komplexere Tertiärstrukturen. Beispielsweise ergeben 5 Faltblätter ein Faß.

Faltblätter ergeben eine Faßstruktur.  Gezeigt sind N-(Stickstoff Ende) und C-Terminus (Ende der Kette am Kohlenstoff ). Farbe und angedeuteter Schaum sollen keine Assoziationen zu Bierfäßern auslösen. CC BY-SA 3.0

Aus möglichst „einfachen“ Strukturen entstehen somit strukturell vielfältige Proteine. Prof. Seebach (ETH Zürich) , ehemaliger Student der Universität Karlsruhe, zeigte das eben für diese  α-Aminosäuren bzw.  α-Peptiden, analoge  neue Strukturen auf der Basis von β-Aminosäuren/Peptiden gebildet werden konnten.Darüber hinaus sind diese β-Peptide gegen den Abbau durch Enzyme, genauer gesagt durch Proteasen, stabil. Die zunahme der strukturellen Vielfalt verspricht zu dem neue stabilere Strukturmuster.

In weiteren Arbeiten wurde untersucht wie Peptide wie z.B. das Interleukin 8, welches als Botenstoff bei der Neubildung von Gefäßen ein wichtige Rolle erfüllt,  aus einem synthetischen Peptid  bestehend aus α und β-Aminosäuren die gleichen Funktionen erfüllen kann wie sein natürlicher α-Peptid Zwilling. Wenn solche Peptide in Zukunft als Chemotherapeutika eine Rolle spielen, wären diese stabiler gegen den Abbau durch Proteasen. Eventuell wären diese auch kostengünstiger, da kein unmittelbarer Abbau im Organismus erfolgen würde. Die Vielzahl an neuen Strukturelementen die möglich sind, könnten viele stabilere Proteine und Peptide mit neuen Funktionen erzeugen. Insulin, welches in allen Menschen und Tieren die Aufnahme von Zucker aus dem Blut in die Zellen veranlasst, könnte durch β-Aminosäuren stabiler gestaltet werden. Was für die Lagerung oder für das Abbauverhalten im Blutkreislauf von Bedeutung sein könnte. Vielleicht werden auf diese Weise eines Tages  Enzyme hergestellt die auch noch bei 150°C stabil sind?

β-Aminosäuren können auch heute schon in Wirkstoffen vorkommen. Ein bekanntes Beispiel ist hier für der Wirkstoff Paclitaxel, dieser stammt aus der Rinde der pazifischen Eibe und wird in der Behandlung von Krebs eingesetzt. Seine chemische Synthese ist besonders aufwendig und daher wird dieser Wirkstoff bis Heute entweder aus Eibenzellkulturen oder aus Nadeln der europäischen Eibe isoliert und derivatisiert. Ein Bestandteil von Paclitaxel ist unter anderem auch eine β-Aminosäure. Diese kann zwar rein chemische synthetisiert werden, aber zu meist wird nur ein Racemat hierbei erhalten. Ein Racemat ist eine 50:50 Mischung von einem Molekül welches zwar „Baugleich“ ist, aber z.B. einen Arm (also einen Rest) besitzt der räumlich in eine andere Richtung zeigt als sein Partner. Es ist so als hätte man einen Handschuh für die linke und die rechte Hand. Betrachtet man sich diesen Handschuh so sind Fingeranzahl und Fingerform zwar gleich (siehe auch Isomerie), aber so richtig passt der linke Handschuh dann doch nicht auf die rechte Hand.  Ein Racemat erfüllt hierbei im Organismus andere Funktionen als nur ein Enantiomer. Ein Beispiel für die unterschiedliche Wirkung von Enantionmeren zeigte der Contergan-Skandal (Thalidomid). Diese Medikament wurde als Racemat verkauft nicht wissend, dass verschiedene Enantiomere verschiedene Auswirkungen haben können. Es zeigte sich jedoch, dass das (S)-Enantionmer eine schädigende Wirkung verursachte (erst viele Jahre später). Dies zeigt wie groß die Bedeutung der enantioselektiven Synthese von Wirkstoff ist.

Enzyme zur Synthese von β-Aminosäuren

Neben der Möglichkeit einzelne β-Aminosäuren bei Naturstoffsynthese, niedermolekularen Wirkstoffen, in Peptiden oder einzelnen in Proteinen einsetzen zu können, gibt es auch Ansätze β-Aminosäuren als biologisch-abbaubare Polyester-Verbindung , ähnlich einem Kunststoff, z.B. als Füllmaterial für Tabletten einzusetzen. Wie können jedoch diese β-Aminosäuren enantioselektiv hergestellt werden?  Was auf dem rein chemischen Weg schwer erscheint ist mit Enzymen zur Synthese dieser wertvollen Moleküle durchaus möglich. Außerdem können organische Lösungsmittelabfälle reduziert werden und teils auch Energiekosten eingespart werden. Enzyme tragen eine wichtige Rolle die Chemie „grüner“ zu machen. In der Technischen Biologie am KIT beschäftigt man sich hierbei beispielsweise mit Transaminasen. Die Klasse dieser Enzyme ermöglicht die Umlagerung von Aminen auf auf ein Amino-Akzeptor-Molekül und dies bei Raumtemperatur in einem wässrigen System. Teilweise können so Reaktionen die auf klassischem chemischen Wege nur bei extremen Bedingungen ablaufen mit Enzymen unter Standardbedingungen ermöglicht werden.

Neben der genannten Klasse der Transaminasen, gibt es noch eine Vielzahl anderer Enzyme (z.B. Aminomutasen), die sich zur Darstellung von β-Aminosäuren eignen könnten. Entscheidend für den den Einsatz dieser Enzyme ist, ob sich diese einfach Herstellen lassen und unter Prozess-Bedingungen stabil und wiederverwertbar sind. Durch gelenkte Evolution und gezieltes Enzym-Design durch physikalische Simulationen können Enzyme dahingehend optimiert werden im Prozess adäquate Leistungen zu erzielen, hierbei ist nur die Frage wie viel Geld und Zeit zur Erforschung zur Verfügung stehen (Bsp. eine modifizierte Aminotransferase von Codexis und Merck). Die Firma Codexis und Merck zeigten wie ein Enzym prozesstauglich gemacht werden kann und erhielten den US Amerikanischen Award der Umweltbehörde EPA  „EPA Presidential Green Chemistry Challenge Award-2010“ sowie den Edison-Patent-Award 2014 für ihre Arbeit im Bereich der Transaminase-Katalyse (Video). Hierbei konnten vor allem komplexe Verfahrenstechnik vermieden und die Menge an giftigen Abfällen reduziert werden.

In der Entwicklung von enzymatischen Synthesen  sind teilweise aber nicht die Enzyme das grundlegende Problem, sondern instabile Substrate für β-Aminosäuren Synthese. Diese sind teilweise  sind nicht geeignet um durch existierende und beschriebene Enzyme umgesetzt zu werden.  Eine alternative zum Design eines Enzyms kann es auch sein, dass Synthese-Problem in einzelne Schritte zu unterteilen. Diese enzymatische Aufgabenteilung, kann es erlauben durch bekannte und beschrieben Enzyme eine Synthesestrategie zu entwerfen.

Enzym Kaskade

Eine Enzyme-Kaskade, also eine Aneinanderreihung von mehreren enzymatischen Reaktionsschritten, ist im Prinzip ein sehr kleiner künstlicher isoliert betrachteter Stoffwechselweg.  Diese Enzym-Kaskaden lassen sich auf sehr viele Anwendungsbeispiele übertragen, vor allem im Bereich der Biosensorik sind diese bekannt. So können enzymatischen Reaktionen beispielsweise helfen, Giftstoffe in unserer Umwelt zu detektieren. Auch sind sogenannte  Logikgatter mit Enzymen möglich, die man ansonsten eher aus der Elektronik kennt. Beispiel hierfür ist eine enzymatische „Schaltung“ zur Detektion von TNT und anderen Gefahrstoffen. Dieser Sensor stellt hierbei ein NOR (nicht-oder) Gatter da, sprich, wenn kein Gefahrstoff vorhanden ist von einer Reihe an vielen Gefahrstoffen, dann wird ein Signal ausgegeben „alles in Ordnung“, ist einer der Gefahrstoffe vorhanden gibt der Sensor ein Warnsignal aus.

 

Enzymatisches Logik Gatter zur Detektion von Gefahrstoffen. (CC BY-SA 3.0)

Der Komplexität solcher Gatter dürften keine Grenzen gesetzt sein.(sofern es aktive Enzyme gibt um einen Signalstoff umzusetzen ). Etwas komplizierter sind hierbei künstliche Stoffwechselwege. Möchte man nicht nur einen Sensor bauen, so sind zwei Reaktionsschritte oft nicht ausreichend um aus einem gegebenen Substrat das Zielmolekül zu erzeugen. Auch müssen teure Kofaktoren recycelt werden, die im Verlauf von enzymatischen Reaktionen verbraucht werden.  Eine künstliche enzymatische Kaskade aus einfacher Glucose (Zucker)zur Synthese von Molekülen wie Aminosäuren ohne Mikroorganismen könnte so möglich werden. Dies hätte den Vorteil das Nebenreaktionen, die beim Einsatz von ganzen Zellen (wie z.B. Hefe), mittels artifizieller in-situ Stoffwechselwege vermieden werden könnten.Außerdem können die Reaktionsbedingungen in einem größeren Umfang variiert werden und eine Produktion von Biomasse vermieden werden.

In der Summe bleibt somit zu sagen, Aminosäuren gehören zu den wichtigsten Moleküle auf der Erde. Sie herzustellen kann sowohl für die Pharmazie als auch für die Lebensmittel-Industrie von großer Bedeutung sein. Die β-Aminosäure könnte dabei ein Grundstein für Proteine und Wirkstoffe mit verbesserten Eigenschaften darstellen.

Die komplexe neue Welt der Biologie

Das 20. Jahrhundert hat uns Mobilität, Internet und moderne Hochleistungsrechner gebracht die das menschliche Leben stark verändert haben. Wir sind heute vernetzter denn je, jede Information kann uns in wenigen Sekunden erreichen und viel Wissen was vorher nie einen Raum zur Interaktion hatte, hat durch das Internet nun diese Möglichkeit. In den naturwissenschaftlichen Disziplinen ist dies teilweise auch im Jahre 2016 noch nicht gänzlich angekommen, aber vieles hat sich bereits verändert. Protokolle und wissenschaftliche Abhandlungen sind  für Chemiker,Biologen und Mediziner  jederzeit verfügbar, was die Arbeitsplanung extrem beschleunigt. Außerdem eröffnet sich die Möglichkeit mit anderen Fachdisziplinen vernetzter zu arbeiten. So können auch andere Disziplinen wie die Informatik, Physik oder Ingenieurwissenschaften stärker assoziiert werden mit der Wissenschaft des Lebens und der Natur. Die Bioinformatik/Biophysik beispielsweise verknüpft physikalische Theorien mit biologisch komplexen Molekülen um zu berechnen wie sich ein Protein dynamisch bewegt, seine Konformation verändert oder sich unter physikalisch veränderten Bedingungen verhält. Dies kann z.B. genutzt werden um die Struktur im Nanometer Maßstab zu verändern und die Funktion von Enzymen zu modifizieren. Ein praktischer Fall wäre hierbei die Untersuchung einer Wechselwirkungen zwischen Wirkstoffen (kleine Moleküle oder Antikörper) mit Zellrezeptorproteinen von menschlichen Zellen (z.B. für Tumortherapeutika) . 

Darüber hinaus kann die Funktion eines Enzymes gezielt verändert werden um eine gewünschte Reaktion zu katalysieren. Nicht nur das Proteine verändert werden können, sie können auch gänzlich per de novo Design in Silico berechnet werden um Funktionen und Strukturen zu erzeugen die so in der Natur nicht vorkommen oder noch nicht entdeckt wurden. Aber nicht nur einzelne Proteine stehen im Fokus der modernen Biologie, sondern auch gewöhnliche Mikroorganismen. Die am wenigsten komplexen unter Ihnen sind in der Regel die Bakterien. Welche in  der Biotechnologie/Biochemie eine Vielzahl an Möglichkeiten generieren um Dinge in unserer Umwelt zu messen, umzusetzen oder zu produzieren. Hierbei bietet die Natur bereits einen großen Fundus an vielen verschiedenen Organismen, die alle verschiedene unglaubliche Dinge vollführen können. So findet man die Mikroorganismen überall auf der Welt und vermutlich auch schon um unsere Welt herum (Satelliten/Raumsonden/Mondmission/ISS, etc.).  In Klärwerken sorgen sie für die Reinigung unserer Abwässer und in der Lebensmittelindustrie verfeinern sie Geschmack und Konsistenz von Käse und anderen Köstlichkeiten. So sind unzählig viele verschiedene Bakterien in unserem menschlichen Darm vorhanden und sollen gar für unsere Gesundheit verantwortlich sein.

Ein einbringen von Information in einen Mikroorganismus um neue Funktionen zu integrieren fällt unter den Begriff der molekular Genetik (Gentechnik). Zielt die Auswirkung auf den Metabolismus eines Organismus und wird dieser in größerem Ausmaß verändert wird auch von Metabolic Engineering gesprochen. Hierbei werden ganze Stoffwechselwege eingebracht, neu-verknüpft oder abgeschaltet. Diese Techniken werden zumeist kontrovers Diskutiert und stehen einer großen Kritik entgegen. Die wohl zurzeit bekannteste und heiß diskutierteste molekular Biologische Methode ist das CRISP/Cas–System, mit welchem sich noch gezielter Gene ausschalten und modifizieren lassen. Ursprünglich ein System von Bakterien zur Abwehr von viraler DNS, sehen einige Forscher  in diesem System gar eine Möglichkeit zur Gentherapie von Lebewesen. Was mit dieser Methode alles erreicht werden kann, unter anderem die Manipulation von menschlicher DNS in der Keimbahn, wird kontrovers diskutiert. Ob diese Methoden der Menschheit langfristig nutzt oder nicht, darüber lässt sich Streiten und wird sicher noch einige Forscher Generationen beschäftigen. Abgesehen von dieser Diskussion können einfache modifizierte Mikroorganismen als Sensoren in der Medizintechnik oder Sicherheitstechnik eingesetzt werden.Sie könnten Moleküle und Umweltbedingungen detektieren was  in dieser weise kein chemischer, physikalischer oder rein mechanischer Sensor messen kann. Enzymatische Sensoren (Tyrosinase) aus Pilzen können z.B. den Weichmacherbestandteil Bisphenol A detektieren.

Bispehnol A. Steht unteranderem im Verdacht estrongenartig  zu wirken.

 

Bisphenol A steht im Verdacht Gesundheitsschädlich zu sein und kann unteranderem auch im Plastik von Trinkwasserflaschen vorhanden sein. Über die Auswirkungen gibt es unterschiedliche Studienergebnisse. Fest steht nur, wer eventuell diesen Stoff nicht in seinem Wasser haben möchte, der könnte mit einem solchem Sensor sein Trinkwasser untersuchen. Dies ist dabei nur ein Beispiel für einen möglichen Biosensor. Gut möglich, dass der Biosensor von Morgen uns gar den einen oder anderen Arztbesuch ersparen könnte.

Ein anderes, sehr viel praktischeres, Beispiel wäre z.B. die Produktion eines Farbstoffes in einem einfachen Mikroorganismus wie dem Darmbakterium Escherichia coli. Dieses Bakterium wurde in einem weltweiten studentischen Wettbewerb namens iGEM dahingehend modifiziert, dass dieser Pigmente produzierte, welche in der Folge sogar in einer sogenannten Grätzelzelle zur Stromerzeugung genutzt werden konnte. Darüber hinaus gibt es bei diesem innovativen Wettbewerb viele andere sehr aufwendige, teils witzige Projekte von Studenten an allen großen Universitäten dieser Welt (aus München kommt natürlich das Bier „der Zukunft“ oder „biologischem Druck“ aus Delft).

Das in sehr stark zeitlich limitierten Projekten von Studenten und einzelnen Forschern, teils sogar ökonomisch interessante Projekte entstehen, zeigt was im Feld der Biotechnologie möglich ist. Vieles was im letzten Jahrhundert unmöglich erschien, ist heute nicht mehr nur eine wahnwitzige Vision, sondern bereits in Teilen Realität geworden. Daten auf Festplatten zu speichern ist eine Errungenschaft gewesen, die es uns erlaubt komplexe Bilder, Lieder,Filme und Daten zu speichern, zu verwenden und wiederzugeben. Das die Speicherung von Daten einmal auf der Ebene von Molekülen wie der DNS möglich sein könnte, hätten vor einigen Jahrzehnten nur wenige gedacht.

Das Organismen als Speicher von Informationen dienen können, ist nicht nur in diesem Video gezeigt, sondern tatsächlich im Fokus einiger Forscher (hier nachzulesen). Die zunehmende Menge an Daten die Forscher auf der ganzen Welt produzieren geht in die Exabyte, Hardware basierte Archivierungssysteme könnten hierbei an ihre Grenzen stoßen, ein potentieller Lösungsansatz könnte daher die Speicherung von Daten in Form von DNS in Pflanzen sein. Eine einfache Botschaft könnte dann z.B. in DNS translatiert werden:

GACAGCAGGCTAGCTAGCTTACAAAATGAACCGCAGGCACGTATGCTTGCGCGCTTGTACGTGAACAAGTATGCATGCCAGTACGCGGGCCGGCACGCGGGCTCACAAGTGTGCCGGTACACAAGTGGGCTCGTATGCGGGTACGCGGACAAGACGGCTCGCGCGCTTGTACGCTGGCAGGTGAGCCGGCTTGCTCGCGGGCTCACAAGCCGGCTCACAAGAGAGATCGAAGAATGAACCGGGCGCCGGCGGGCTAGCGGACAAGAGTGTACGTGGGCGGGTATGTATGCGGACAAGCAGGCTCACAAGCAGGCTAGCTAGCGGACAAGCGAGCCGGCGGACAAGCGGGTATACAAGCGGGCTCGTGAGTATGCATGCCAGCTAGTGGGCGGGTATGTATGCGGGCTAGTGAACAAGCCAGCAGGCACGCGGGCTC

 

Die schöne neue Welt der Biologie oder eher Biotechnologie, könnte uns viele Neuerungen bringen und gewissenhaft eingesetzt der Menschheit nutzen, jedoch dürfen hierbei potentielle Gefahren nicht übersehen werden und ein Diskurs mit der Bevölkerung in die komplexe Thematik aufrecht erhalten werden. Wenn dem so sei, könnten vielleicht in 100 Jahren die Doktoranden ihre Forschungsergebnisse in DNS speichern, Pigmente von Mikroorganismen produziert werden um Strom zu erzeugen und viele Ressourcen Kreisläufe auf der Welt geschlossen werden um die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffquellen zu beenden. Eine sogenannte Bioökonomie  könnte daher ein Baustein sein wie unsere Welt Nachhaltiger werden könnte, so dass die Menschheit auch weiterhin auf einem grün-blauen Planeten leben kann.

Pilze als „Fabriken“ in der Synthese.

Jeder der schon mal einen Pizzateig gebacken hat,  hat schon mal auf die komplexe  „Chemie-Fabrik“ Pilz zurückgegriffen. Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae erzeugt über den anaeroben Stoffwechselweg aus dem im Pizzateig vorhandenen Kohlenhydraten die Stoffwechsel Endprodukte Kohlenstoffdioxid und Ethanol. Als Resultat lässt das erzeugte Gas den Teig aufgehen. Versuchte man auf einem unkatalysierten Weg dies zu erreichen käme dies einer teilweisen Verbrennung des Teigs mit Sauerstoff gleich. Hierfür bräuchte alleine das trockene Mehl an der Oberfläche schon eine Zündtemperatur von mehr als 340 °C.

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Pilze können mitunter kuriose Formen und Farben annehmen. (Bild Stefan Dörsam und Jana Fesseler)

Über die Hefe hinaus gibt es eine enorme Anzahl an verschiedenen Pilzen die relevant für die Synthese und Katalyse sind. Vor allem Lipasen stammen oft aus Pilzen. Eine der bekanntesten Lipasen (Candida rugosa Lipase) stammt aus der Gattung Candida (Schlauchpilze) und wird häufig in der Synthese zum Spalten oder Verestern von Wirkstoffen eingesetzt.  Ihr Vorteile entwickeln Pilze als Ganzzellkatalysatoren bei der Umwandlung von komplexen Kohlenhydraten in andere Wertstoffe. Ein bekanntestes Beispiel ist hierfür die Produktion von Zitronensäure.  Generell können Pilze auch als stereoselektive Biokatalysatoren genutzt werden, was ein enormer Vorteil im Vergleich zu vielen chemischen Katalysatoren sein kann.   Ein weiteres Beispiel für die Bedeutung der Pilze in der Biokatalyse ist  die Umsetzung von Glucose zur Äpfelsäure durch die Fermentation mit Aspergillus oryzae .  Im verborgenen wandelt dieser Pilz unter Stickstoffmangel in einer Vielzahl von sequenziell angeordneten enzymatischen Reaktionen die Glucose in Äpfelsäure (Anion Malat) um. Würde man Malat rein enzymatisch oder chemisch aus Glucose gewinnen wollen, würde dies einen sehr großen Aufwand bedeuten, da viele Katalysatoren/Enzyme benötigt würden um letztendlich Malat zu erzeugen. Die Produktion von Malat und anderen organischen Säuren ist auch Gegenstand der Forschung von Dr. Ing- Ochsenreither et al. in der Technischen Biologie (TeBi) am KIT.  Neben der Evaluierung der Möglichkeiten der Pilz katalysierten Produktion von organischen Säuren rückt hierbei die Nachhaltigkeit in den Vordergrund. So sind neben der Glucose andere nachhaltige Kohlenstoffquellen zur Produktion von Interesse, die z.B. aus Aufschlüssen aus Holz oder Stroh gewonnen werden.

Die Ganzzellbiotransformationen von Pilzen oder anderen Mikroorganismen erfolgen in der Regel in sogenannten Bioreaktoren in Medium.  Dabei unterscheiden sich diese Reaktoren von chemischen Rührkesseln hauptsächlich in der Sensorik und dem Rührwerksaufbau. Bei Fermentationen ist es meist notwendig Sauerstoff in das Medium einzutragen, da mit lebenden Zellen gearbeitet wird die Sauerstoff verbrauchen (Aerob).

Pilz-Fermentation. Welches Tier ist hier zu sehen (rein symbolisch) ?  Video Stefan Dörsam

Neben dem Gaseintrag bestehen oft auch unterschiede im Temperaturbereich der für die Fermentation angestrebt wird. Teilweise ist es von Interesse bei großvolumigen Fermentationen sogar Wärme abzuführen, was für die Energiebilanz von Vorteil sein kann. Enzyme oder Enzym-Extrakte können dagegen in koventionelle Rührkesselreaktoren gegeben werden, jedoch ist oftmals für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses notwendig, dass Enzym zu immobilisieren oder zurückzugewinnen. Eine Lösung dieses Problems sind Beispielsweise Enzym-Membranreaktoren.

Generell gilt es in der Biosynthese abzuwägen, wann es sinnvoll erscheint ganze lebende Zellen zu verwenden, Zellextrakte oder aufgereinigte  Enzyme.  Mikroorganismen haben den Nachteil, dass diese eine Vielzahl an Nebenreaktionen ausführen können. Zudem können zu meist nicht in organischen Lösungsmitteln als lebende Katalysatoren eingesetzt werden, was für viele nur im organischen lösbare Substanzen von Nachteil ist. Im Fall der beiden organischen Säuren Malat und Zitronensäure (aus den genannten Beispielen) spielt die Löslichkeit jedoch keine Rolle, denn diese beiden Substanzen sind überaus gut löslich im Wasser. Auch ist die Aufarbeitung aus wässrigen Fermentationsansätzen wesentlich energieaufwendiger als aus leichtverdampfbaren organischen Lösungsmitteln. Dagegen können Enzyme auch im organischen Lösungsmittel ihre Aktivität behalten und eine Ergänzung zur Möglichkeit der Ganzzellbiokatalyse sein. Die klassischen, metallisch, chemischen Katalysatoren sind häufig in vielen Lösungsmitteln aktiv.  Die Temperatur kann im Gegensatz zu einem Biokatalysator meist sehr weit gesteigert werden,  was bei vielen Reaktionen aufgrund der RGT-Regel von Vorteil sein kann.

Zusammengefasst lässt sich somit sagen, Pilze im speziellen und allgemein ganze Mikroorganismen können komplexe chemische Reaktionen katalysieren und ermöglichen die Synthese in meist wässrigen Systemen. Pilze sind dabei besonders interessant, da sie lebende Enzym-Schatztruhen sind, die sogar teilweise die wertvollen Biokatalysatoren in ihre Umgebung abgeben.  Sie erschließen Kohlenstoffquellen die eine alternative zur traditionellen Erdöl basierten Chemie darstellen können. Außerdem können Biotransformationen helfen giftige Abfälle zu minimieren, Energie einzusparen und Stoffkreisläufe zu schließen. Somit können Mikroorganismen und Enzyme helfen die wesentlichen Kriterien für eine als „Grün“ (umweltfreundliche) geltende Chemie zuerfüllen. Wer jetzt noch nicht genug über Pilze in der Biotechnologie gelesen hat, der sollte sich die Dokumentation auf 3Sat ansehen.

Wer nach diesem Bericht noch immer nicht genug von Pilzen hat, für den ist vielleicht auch ein Anzug mit Pilzsporen etwas für seine Beerdigung. Er verspricht den Körper wieder in den Stoffkreislauf einzuführen und dabei sogar Giftstoffe aus dem Körper aufzunehmen.  Nachhaltiger kann man wahrscheinlich nicht aus dieser Welt treten ?

Statistische Analyse von Hochdurchsatz Assays

Katalysatoren sind in der Chemie und Biologie  unverzichtbar, da nur der Einsatz von Katalysatoren komplexe Reaktionen ermöglicht und damit die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt. Das bedeutet, dass Gleichgewicht einer Reaktion wird schneller eingestellt als bei einer nicht katalysierten Reaktion. Außerdem kann der Katalysator dafür sorgen, dass selektiv bestimmte Produkte aus bestimmten Substraten synthetisiert werden.  Die Biologie ist hierbei die Summe einer komplexen Abfolge von vielen miteinander verknüpften katalysierten Reaktionen. Das Ergebnis davon sind Mikroorganismen sowie komplexe Systeme wie Tiere und Mensch. Ermöglicht wird dies durch Enzyme, die nicht nur Substratselektiv sein können, sondern sogar zwischen Enantiomeren „unterscheiden“ können.

3D Struktur eines Enzymes. In diesem Beispiel eine Transaminase (PDB 4AO9), welche zur Synthese besonderer Amine und Aminosäuren verwendet werden kann.

Enzyme können daher bei der Synthese von einer Vielzahl an Molekülen eingesetzt werden. Das Enzym ist hierbei quasi der Schlüssel, der die Tür zu bestimmen Reaktionen öffnet. Nur wissen wir oft nicht mit welchem Schlüssel die Tür geöffnet werden kann, die uns zum Ziel führt. In der Natur gibt es eine enorme Anzahl an verschiedenen Enzymen die bereits in Datenbanken ( z.B. www.brenda-enzymes.org) beschrieben sind oder noch unentdeckt in Mikroorganismen auf dem Meeresgrund oder in einem Kaminschlot versteckt sind.

Ein kleiner Auszug an diesen Enzymen wird kommerziell verkauft und eine noch viel kleinere Zahl wird tatsächlich in der industriellen Synthese bis jetzt eingesetzt. Ein Beispiel hierfür ist die Glucose-Isomerease. Diese wird genutzt um aus Glucose, Fructose zu erzeugen. Dies führt zu einer Verstärkung der Süßkraft, da Fructose wesentlich süßer ist als Glucose und wird so beispielsweise in einigen Süßspeisen und Getränken eingesetzt.

Ist das Ziel eine Reaktion mit einem Enzym zu katalysieren und ist über dieses wenig bekannt, so hilft oft nur ein Screening im Hochdurchsatzverfahren (HTS). Dieses Testverfahren soll es ermöglichen sprichwörtlich die Nadel im Heuhaufen zu finden.  Getestet werden können hierbei entweder kommerzielle Enzyme oder Enzyme aus sogenannten Bibliotheken. Diese können aus Mikroorganismen bestehen oder Modifikationen eines bekannten Enzymes sein (Stichwort Gerichtete Evolution). Wie entscheide ich jedoch welches Verfahren  in der Lage sein könnte die Nadel im Heuhaufen zu finden ?  Die Statistik kann hierbei helfen Entscheidungen zu treffen. Wie ein solches Testverfahren in der Praxis arbeitet und wie HTS-Tests aufgebaut sein können, kann in unserer Publikation  im Journal PloS One gelesen werden.

journal.pone.0146104

Neben der Evaluation von sogenannten HTS-Tests benötigt man für die Durchführung zu meist eine Miniaturisierung der Testsysteme. Daher wird zu meist in Mikrotiterplatten gearbeitet. Groß angelegte Screening Verfahren benötigen darüber hinaus auch einen standardisierten und automatisierten Ablauf.
Hierfür dienen kleine Pipettierhilfen wie Multipipetten sowie Pipettierrobter. Auch ist die Automatisierung von fast allen Schritten eines HTS-Tests möglich wie es z.B. die Firma Novartis in ihrem Werbevideo zeigt.