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Robuste Enzyme aus dem Meer können Industrie grundlegend verändern

Eine neue Bibliothek aus dem Meer gewonnener Enzyme, die ausreichend robust sind, um widrigsten industriellen Bedingungen standzuhalten, könnte sich für eine Reihe von Sektoren, die auf Enzyme angewiesen sind, als unschätzbar kostensparende Vereinfachung erweisen.

Industrielle Technologien

„Das EU-finanzierte INMARE-Projekt ist ein immenser Erfolg gewesen“, sagt Projektkoordinator Professor Peter Golyshin von der Bangor University im Vereinigten Königreich. „Wir haben eine massive Reihe von Ressourcen erstellt, die zu einer signifikanten Verkürzung und Verschlankung der Forschungspipeline für industrielle Enzyme beitragen wird.“ Dies wurde durch die Identifizierung von Enzymen erreicht, die aufgrund der Meeresumwelt, aus der sie extrahiert wurden, bereits auf industrielle Prozesse angepasst waren. Enzyme finden in der Industrie breite Verwendung und sind ein wichtiger Inhaltsstoff für Sektoren wie z. B. die Bier-, Reinigungsmittel- und Papierherstellung, in denen biologische Katalysatoren erforderlich sind. Marine Mikroorganismen – wie bspw. Bakterien, Pilze und Algen – sind seit langem als unerschlossene Enzymquelle anerkannt, jedoch hat nur ein winziger Bruchteil von Meeresenzymen die Kommerzialisierung erreicht. Prof. Golyshin ist zuversichtlich, dass die Identifizierung dieser Enzyme den beschwerlichen, kostspieligen und oftmals nicht erfolgreichen Prozess, der die Prüfung und Optimierung von Enzymen im Labor erforderlich macht, erheblich verkürzt – und in manchen Fällen sogar beseitigt. Geschäftlicher Katalysator Nach vier Jahren umfangreicher Meeresforschung und einem Screening im Labor wurden insgesamt 974 nützliche Enzyme geklont. „Davon wurden 311 im Hinblick auf ihre Fähigkeit zur Umwandlung von Stoffen von industrieller Relevanz vollständig charakterisiert“, sagt Prof. Golyshin. „Ausgehend von dieser Enzymsammlung wurden 15 einsatzbereite Biokatalysatoren für Prozessoperationen im kleinen Maßstab entwickelt und getestet.“ Das Ende März 2019 abgeschlossene Projekt hat zu vier Patentanmeldungen und einem Start-up-Unternehmen geführt, das der Bereitstellung natürlich optimierter Enzyme gewidmet ist. Das Projekt INMARE (Industrial Applications of Marine Enzymes: Innovative screening and expression platforms to discover and use the functional protein diversity from the sea) setzte sich aus mehr als 20 Partnern aus Akademie und Industrie zusammen, die aus zwölf Ländern stammten, darunter führende multinationale Industriepartner. „Unsere industriellen Projektpartner sind marktführend in der Enzymproduktion und in der Synthese von Feinchemikalien“, sagt Prof. Golyshin. „Ihr Ziel ist die effiziente Bereitstellung sichererer Pharmazeutika, günstigerer Landwirtschaftsprodukte und besserer biobasierter Produkte.“ Diese Unternehmen hatten priorisierten Zugriff auf die von den akademischen Projektpartnern gesammelten Daten, um festzustellen, ob ihrer Meinung nach weiteres kommerzielles Potential besteht. Im Anschluss an den Abschluss des Projekts wird das Konsortium die Liste mit Materialien – Enzyme, Bibliotheken usw. – zur Verfügung stellen, die von Dritten weiter genutzt werden können. Nachhaltig bezogene Lösungen Das INMARE-Projekt wurde im April 2015 mit dem ambitionierten Ziel, die Geheimnisse der Meere zu enthüllen, ins Leben gerufen. „Der Ozean ist das größte Ökosystem auf unseren Planeten, das 71 % der Erdoberfläche bedeckt“, merkt Prof. Golyshin an. „Er beherbergt eine Vielzahl überaus vielfältiger Mikroorganismen. Unsere Annahme ist, dass eine solch enorme Biodiversität eine Vielzahl noch unerforschter Enzyme und Metaboliten beinhaltet, die neue Lösungen für die Bioökonomie liefern könnten.“ Das Projektteam wandte neue Screening-Techniken an, um potenziell vielversprechende Enzyme von marinen Mikroorganismen zu identifizieren. Über das vorhergehende EU-finanzierte Projekt MAMBA (2009-2013), das ebenfalls von Prof. Golyshin koordiniert wurde, wurden neue Methoden für das Screening mariner mikrobieller genomischer Ressourcen auf nützliche Enzymaktivitäten entwickelt. „Die Ergebnisse von INMARE sind jedoch weitaus beeindruckender gewesen“, sagt er. Von besonderem Interesse für das INMARE-Team waren Mikroben, die in der Lage sind, unter harten Bedingungen wie z. B. extremer Salinität, Temperatur oder erhöhtem Druck zu überleben. „Wir wussten, dass diese Mikroben Enzyme produzieren könnten, die in industriellen Umgebungen unter widrigen physikalischen und chemischen Bedingungen leistungsfähig sind, ohne dass eine Optimierung erforderlich wäre“, erklärt Prof. Golyshin. „Die Optimierung von Enzymen, deren Stabilisierung und Effizienzsteigerung, kann ein zeitaufwändiger und kostspieliger Prozess sein und ist eine bekannte Engstelle in der Entwicklung industrieller Anwendungen.“ Das INMARE-Projekt entspricht im Wesentlichen auch dem Übergang Europas zu einer nachhaltigeren, „grüneren“ Wirtschaft, die erneuerbare Ressourcen mit minimalem Energieaufwand nutzt. Aus dem Meer bezogene Enzyme sind eine sinnvolle und attraktive Alternative zur chemischen Katalyse, die mit einem massiven Einsatz von Lösungsmitteln und energieintensiven Reaktionsbedingungen verbunden ist. „Unerschlossene mikrobiologische Ressourcen aus dem Meer könnten die Industrie mit einer nahezu unerschöpflichen Quelle sicherer, günstigerer und umweltfreundlicherer Produkte ausstatten – sofern mit dieser Ressource vernünftig umgegangen wird“, merkt Prof. Golyshin an.

Schlüsselbegriffe

INMARE, erneuerbar, marine, Enzyme, Energie, Biologie, chemisch, industriell, Meer, Ozean, Bakterien, Pilze, Schwämme, Algen

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