zum Directory-modus

Einführung in die Kinetik III (Biokatalyse)

Enzyme in der Analytik

Derzeit werden weltweit jährlich mehr als 100.000 t technische Enzyme produziert. Der Weltmarkt für Enzyme wird für 2013 auf etwa sieben Milliarden US-Dollar geschätzt (Quelle: Freedonia Group). Hiervon sind allein 75 % hydrolytische Enzyme, welche vornehmlich als Abbauenzyme in der Lebensmittel-, Waschmittel-, Leder- und Textilindustrie eingesetzt werden. Von besonderem Interesse sind spezifische Proteasen, die ein Peptid an einer genau definierten Stelle und nur bei einer bestimmten Aminosäureabfolge spalten. Sie können gezielt für Modifikationsprozesse als molekulare Werkzeuge eingesetzt werden. Man verwendet sie bei der Proteinanalyse (Sequenzieren von Proteinen, Aufklärung von Peptidbindungen, Fingerprint-Analysen) und bei der Peptidsynthese. Parallel zum ständig wachsenden Bedarf an biologisch aktiven Peptiden in der Forschung, Pharmazie und Industrie hat die Verwendung proteolytischer Enzyme als Biokatalysatoren für die Peptidverknüpfung im letzten Jahrzehnt einen deutlichen Interessenzuwachs erfahren. Die enzymatische Peptidsynthese bietet gegenüber der klassischen, chemischen Synthese umweltschonende und preisliche Vorteile. Leider sind derzeit nur wenige Proteasen mit der geeigneten Spezifität und in ausreichenden Mengen verfügbar, da die Enzyme meistens sehr aufwändig aus ihren natürlichen Produzenten (Organismen) gewonnen werden müssen. Die Gentechnik (Gentechnologie) eröffnet in diesem Zusammenhang einen neuen Weg, die Ausbeute, Reinheit, Stabilität und Wirksamkeit von Enzymen zu verbessern.

Für analytische Anwendungen werden Enzyme benötigt, die eine hohe Substratspezifität für den jeweiligen Analyten zeigen, so dass eine Quantifizierung ohne besondere Vorbereitung der Probe möglich ist. Impulse für neue, weitere Analysensysteme kommen derzeit durch aktuelle Entwicklungen von Biosensoren, bei denen die erkennende und signalgebende Enzymkomponente in direktem Kontakt mit der signalumformenden Komponente, beispielsweise einer Elektrode steht.

Beispiele für die industrielle Nutzung von Enzymen

  1. Chirale Alkohole und Hydroxyester sind wertvolle Ausgangsverbindungen für den Chemiker. Besonders effizient können sie durch enantioselektive Reduktion von Ketonen oder Ketoestern mit NAD(P)-abhängigen Alkohol-Dehydrogenasen gewonnen werden. Es wurden mehrere neue mikrobielle Enzyme gefunden, die für solche Synthesen eingesetzt werden können. Diese wurden aus Rhodococcus erythropolis, Candida parapsilosis und Lactobacillus-Stämmen isoliert.
  2. Durch die Klonierung in E. coli wurde der Umgang mit dem pathogenen Mikroorganismus vermieden, die Ausbeute um das 16-Fache gesteigert, die Aufreinigung wesentlich vereinfacht und eine gezielte Modifikation zur Verbesserung der Enzymeigenschaften ermöglicht.

Perspektiven

Die effiziente, rekombinante Herstellung von technischen Enzymen in E. coli oder S. cerevisiae findet zunehmend Verbreitung. Nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, dass immer mehr für die Industrie interessante Enzyme aus Organismen stammen, die in extremen Ökosystemen leben können. Es werden heute immer neue Bakterien entdeckt, die sich unter extremen Bedingungen vermehren können, z.B.: in der Tiefsee der Antarktis bei 4°C, in geothermen Oberflächenquellen bei 100°C, in hydrothermalen Tiefseequellen bei 85°C und 250 atm, am Rand aktiver Vulkane bei 56°C und einem pH-Wert von 10,1, im Drainagewasser von Minen bei 75°C und pH 2,0 oder in Hypersalz-Lösungen bei 4 5 mol / L NaCl. Dabei besitzen diese Organismen alle nötigen Stoffwechselenzyme, die unter diesen Extrembedingungen noch funktionieren. Diese so genannten "Extremozyme" sprengen dabei alle bislang gekannten Grenzen der Biokatalyse. Es versteht sich von selbst, dass eine große Anzucht der Stämme zur Herstellung dieser Enzyme derzeit zu umständlich wäre. Mit Hilfe der Gentechnik könnten viele interessante Enzyme der großtechnischen Nutzung zugeführt werden und einige Prozesse der chemischen Industrie damit umweltschonender und preisgünstiger gestaltet werden.

Seite 26 von 28