Chemische Syntheseprozesse – einfacher, umweltschonender und kostengünstiger
Bislang hat die Chemieindustrie in der Produktion auf aggressive, oftmals toxische und kostspielige Reagenzien und Lösungsmittel und mehrstufige Syntheseverfahren gesetzt. Indem leistungsstarke natürliche Biokatalysatoren wie Enzyme oder einzellige Mikroorganismen eingesetzt werden, gelingt es der industriellen Biotechnologie, sämtliche Reaktionsschritte in nur einem Topf durchzuführen (Kaskadenreaktionen), sodass eine Isolation von Zwischenprodukten hinfällig wird. Die Teilnehmer des Schulungsprojektes BIOCASCADE (Biocatalytic cascades to access valuable building blocks) konzentrierten sich auf Anwendungen im Bereich der industriellen Biotechnologie; sie arbeiteten an der Aufbereitung von Verbindungen für deren Anwendung in der Naturstoffsynthese und als Bausteine komplexer Werkstoffe. Das Projekt kann als Erfolg bezeichnet werden – vor allem dank intensiver fachgebietsübergreifender Schulungen. Die Teammitglieder entwickelten eine durch Biokatalysatoren verstärkte Redoxreaktionskaskade, durch die natürliche Alpha-Aminosäuren in wertvolle Alpha-Hydroxycarbonsäuren umgewandelt werden, welche eine wichtige Rolle in Handelsprodukten, etwa in Peelingprodukten, spielen. Durch die gemeinsame Expression der benötigten Biokatalysatoren im selben Plasmid wurde die Methode verbessert, insbesondere im Hinblick auf industrielle Anwendungen. Zu diesem Teil der Projektarbeiten wurden zwei Artikel in expertengeprüften wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht. Mit einer weiteren Eintopfreaktion konnte außerdem die Para-Vinylierung von Phenolen durchgeführt werden, eine besonders schwierige Reaktion, die bislang nicht chemisch oder einstufig enzymatisch umgewandelt werden konnte. Dem Team gelang es, Enzyme, die Einzelbindungen zwischen Kohlenstoffatomen herstellen, mit Enzymen zu kombinieren, die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen aufbrechen. Damit können Phenole sehr zielgerichtet und selektiv funktionalisiert werden, und dies wiederum öffnet die Tore für die Erzeugung wertvoller chemischer Bausteine. Da dies einen bahnbrechenden Erfolg darstellt, wurde ein Patentantrag eingereicht und die Ergebnisse in einem Fachjournal mit großer Leserschaft veröffentlicht. Schließlich konnte eine vierstufige Reaktionskaskade, in der Oxidoreduktasen und Kohlenstoff-Einzelbindungen herbeiführende Enzyme kombiniert werden, zur Herstellung von Milchsäuren mit Arylgruppe umgesetzt werden. Besonderes Potenzial bieten diese natürlichen Bausteine für die Pharma- und Kosmetikindustrie. Die Wissenschaftler arbeiten derzeit an der Niederschrift der erzielten Resultate. Dank BIOCASCADE wurden neue Eintopfsyntheseverfahren zur Herstellung von Naturstoffen entwickelt, die in der industriellen Biotechnologie zum Einsatz kommen werden. Diese Ergebnisse werden sich somit sehr positiv auf die Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit der europäischen Chemieindustrie auswirken und zugleich die Entwicklung umweltschonenderer Verbraucherprodukte fördern.
Schlüsselbegriffe
Chemische Synthese, Elemente, natürliche Enzyme, industrielle Biotechnologie, biokatalytische Kaskaden
