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Fachgruppe Biokatalyse
«Biokatalyse als komplementäre Methode zur klassischen Synthese hat grosses Zukunftspotential für die industrielle Herstellung von bioaktiven und komplexen Molekülen.»
In der Biokatalyse werden Enzyme (Biokatalysatoren) entweder isoliert oder in Ganzzellsystemen eingesetzt um neue Produkte herzustellen, vorhandene Synthesewege zu optimieren oder chemische Herstellungsverfahren zu ergänzen oder zu ersetzten. Mit Hilfe von Enzymen können chemische Reaktionen unter Verzicht auf umweltschädliche Chemikalien ressourcenschonender, selektiver und effizienter durchgeführt werden.
Moderne Technologien der molekularen Zell- und Systembiologie ermöglichen es, Gene aus den unterschiedlichsten natürlichen Quellen zu klonieren oder de-novo zu synthetisieren und die entsprechenden Proteine rekombinant in pro-und eukaryotischen Organismen zu exprimieren. Mittels der sogenannten gerichteten Evolution (engl.: directed evolution) kann man diese Enzyme wenn erforderlich gezielt für chemische Reaktionen optimieren: Nukleinsäuren werden rational oder zufallsbasiert mutiert und die kodierten Enzyme für bestimmte Anwendungen gezielt selektioniert. So kann man Biokatalysatoren mit neuen Eigenschaften z.B. mit verbesserter Enantioselektivität, mit neuer Substratspezifität sowie höherer Aktivität oder Stabilität unter harschen Reaktionsbedingungen generieren.
Das Potential natürlicher Enzymvarianten für die industrielle Biotechnologie ist noch nicht vollständig erforscht. Mit Hilfe von Sequenzanalysen können Enzyme mit verwandten Eigenschaften aus unterschiedlichen Organismen identifiziert, die Gene subkloniert und exprimiert werden. Die so entwickelten Enzymbibliotheken werden bezüglich ihrer Eigenschaften (pH und Temperaturoptimum, Lösungsmittelstabilität) und ihr Substratspektrum untersucht Eine interessante Enzymklasse ist zum Beispiel die Gruppe der Enoat-Reduktasen. Diese Oxidoreduktasen katalysieren die asymmetrische Reduktion von Doppelbindungen und haben ein weitgefächertes Substratspektrum.
Die Nachfrage nach massgeschneiderten Enzymen oder Ganzzellkatalysatoren zur industriellen Anwendung im Bereich der Pharma-, Lebensmittel- oder Futterindustrie ist hoch. Viele industriell interessante chemische Reaktionen können mit natürlich vorkommenden Biokatalysatoren jedoch nicht durchgeführt werden, da das natürliche Substratspektrum oder das Stabilitätsprofil der Enzyme nicht den industriellen Anforderungen entspricht. Durch gezielte oder zufällige Mutagenese können Enzyme mit neuen katalytischen Eigenschaften sowie mit verbesserter Thermo- oder pH Stabilität, erhöhter Toleranz gegenüber von Lösungsmittel oder verbesserter Aktivität entwickelt werden.
Die innovative Anwendung von Enzymen kann zur Produktion neuartiger bioaktiver Substanzen mit antimikrobieller oder antikanzerogen Eigenschaften führen, die mit den augenblicklich zur Verfügung stehenden Verfahren nicht hergestellt werden können. Enzyme, welche in der Lage sind, Peptide posttranslational zu modifizieren, werden in unserer Fachgruppe z.B. auf ihre mögliche Anwendung zur Bildung von Peptid-Therapeutika untersucht.