Enzyme überwinden die 100-Grad-Hitzeschranke
Verfahren ist für chemische Industrie interessant
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Enzyme können chemische Reaktionen gezielt beschleunigen. Sie werden unter anderem eingesetzt, um Chemikalien nachhaltiger herzustellen. Allerdings lassen sich manche Stoffe erst bei hohen Temperaturen verarbeiten – und die vertragen die empfindlichen Eiweiße oft nicht gut. Forschende der Universität Bielefeld haben nun einen Weg gefunden, Enzyme auch bei 100 Grad Celsius und darüber einzusetzen: Sie schließen sie in einer schützenden porösen Struktur ein. So bleiben die Enzyme funktionsfähig und können mehrfach verwendet werden. Die Ergebnisse sind jetzt in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie Novit“ erschienen.
Enzyme spielen in der Natur eine wichtige Rolle. Als Biokatalysatoren ermöglichen und beschleunigen sie chemische Reaktionen in Lebewesen und sorgen für deren kontrollierten Verlauf. Diese Eigenschaften machen sie auch für die chemische Industrie interessant: Im Vergleich zu vielen herkömmlichen chemischen Verfahren können Enzym-katalysierte Reaktionen häufig unter milderen Bedingungen durchgeführt werden. Dadurch lassen sich Energie einsparen, Rohstoffe effizienter nutzen und Abfälle vermeiden.
Allerdings haben Enzyme als Eiweiß-Moleküle eine Schwachstelle: Sie brauchen eine bestimmte räumliche Struktur, um ihre Funktion erfüllen zu können. Bei hohen Temperaturen kann diese Struktur verloren gehen. Das Enzym entfaltet sich dabei ähnlich wie ein Wollknäuel, das auseinandergezogen wird. Es verliert damit die gewünschte Aktivität als Reaktionsbeschleuniger.
Ein Polymer-Käfig schützt das Enzym
Die Frage, wie sich Enzyme auch bei hohen Temperaturen stabilisieren und für chemische Reaktionen nutzen lassen, haben Professor Dr. Harald Gröger aus der Fakultät für Chemie und sein Team gemeinsam mit Professor Dr. Andreas Hütten und seinem Team aus der Fakultät für Physik untersucht. Ihre Idee: Das Enzym sollte in eine schützende dreidimensionale Umgebung eingebettet werden, damit es auch bei hohen Temperaturen seine Form und damit Aktivität behält.
Für ihre Versuche haben die Forschenden das Enzym in eine poröse Struktur aus einem organischen Polymer eingeschlossen. Die Poren sind dabei so groß, dass die Stoffe, die das Enzym für die Durchführung der chemischen Reaktion benötigt, hinein- und die entstehenden Produkte wieder hinausgelangen können.
Zugleich schützt die Struktur das Enzym davor, sich bei Hitze zu entfalten und damit zu verformen. Bei herkömmlichen chemischen Verfahren werden Enzyme häufig an einer Oberfläche befestigt und sind dadurch der Umgebung direkt ausgesetzt. Bei dem neuen Verfahren ist das Enzym dagegen in einer porösen Käfigstruktur geschützt, kann allerdings zugleich weiterhin arbeiten und mehrfach zum Einsatz kommen.
Enzym wurde auch bei 100 Grad Celsius geschützt
Für die Untersuchungen verwendeten die Forschenden eine Lipase. Das eingesetzte Enzym wird häufig für chemische Synthesen genutzt, reagiert allerdings normalerweise empfindlich auf Hitze. Durch die Einbettung in die poröse Material-Struktur konnten die Forschenden zeigen, dass die Lipase selbst bei hohen Temperaturen aktiv bleibt und somit die poröse Struktur das Enzym tatsächlich vor Hitze schützt. Ohne diesen Schutz verliert die Lipase dagegen ihre Aktivität weitgehend.
Auch bei 100 Grad Celsius blieb das eingeschlossene Enzym aktiv. Bei dieser Temperatur arbeitete es sogar etwa doppelt so schnell wie bei Raumtemperatur. Das geschützte Enzym, das als Biokatalysator eingesetzt wird, blieb auch nach wiederholtem Einsatz leistungsfähig. In einem Versuchsaufbau zur Untersuchung von dessen Wiederverwendung blieb seine Leistung bei 100 Grad Celsius über zwölf Reaktionszyklen hinweg nahezu unverändert.
„Am Beginn der Arbeiten stand die grundlegende Forschungsfrage, mit welchen Methoden die Entfaltung von Enzymen selbst bei hohen Temperaturen und unter herausfordernden Reaktionsbedingungen verhindert werden kann“, sagt Dr. Jianing Yang, Erstautorin der Studie. „Es zeigte sich, dass Enzyme durch maßgeschneiderten Einbau in Käfigverbindungen die gewünschten Eigenschaften aufweisen.“
Verfahren ist für chemische Industrie interessant
Der Vorteil der hohen Temperaturstabilität geht über das Enzym selbst hinaus. Einige chemische Ausgangsstoffe sind bei Raumtemperatur fest und schmelzen erst bei Temperaturen von 100 Grad Celsius oder darüber. Für enzymatische Reaktionen mussten solche Stoffe bisher häufig zunächst mit einem Lösungsmittel vermischt werden, was den Prozess aufwendiger macht.
Mit dem neuen Verfahren können die Forschenden die Stoffe dagegen direkt in geschmolzener Form einsetzen. In ihren Experimenten gelang ihnen unter anderem eine Reaktion bei 110 Grad Celsius. Weitere Versuche zeigten, dass der Ansatz auch bei Temperaturen bis 120 Grad Celsius funktioniert. Die Reaktionen kamen dabei ohne organische Lösungsmittel aus.
Das ist für die chemische Industrie interessant: Ein möglicher Einsatzbereich liegt in der Herstellung von sogenannten Estern. Sie werden unter anderem für Kosmetik-, Duft- und Kunststoffprodukte benötigt. Viele der dafür verwendeten Ausgangsstoffe haben Schmelzpunkte von mehr als 100 Grad Celsius.
Enzyme dort einsetzen, wo es bisher nicht möglich war
„Unser Ziel war es, biokatalytische Verfahren auch dort effizient einsetzbar zu machen, wo dies bislang als unmöglich galt“, sagt Professor Dr. Harald Gröger, Leiter der Arbeitsgruppe für Industrielle Organische Chemie und Biotechnologie und Mitautor der Studie. „Wir wollen die Forschung konsequent in Richtung Anwendung weiterentwickeln und den Transfer in industrielle Prozesse vorantreiben.“
Professor Dr. Andreas Hütten, Senior-Professor für Physik in Bielefeld und Mitautor der Studie, untersuchte mit seinem Team unter anderem die Struktur des Materials und die Frage, wie das Enzym darin eingeschlossen ist. Dafür kamen auch elektronenmikroskopische Verfahren zum Einsatz.
„Wir haben mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop die Struktur des Materials untersucht und dabei Einblicke in das Innere der porösen Polymerstruktur gewonnen“, sagt Hütten. „Das war eine besondere Herausforderung, weil das Material nicht regelmäßig wie ein Kristall aufgebaut ist.“ Die Untersuchungen waren wichtig, um zu verstehen, wie die poröse Struktur aufgebaut und wie das Enzym eingeschlossen ist.
Weitere Forschung für Anwendung in der Industrie
Die Zusammenarbeit zeigt auch, wie aus einer grundlegenden wissenschaftlichen Fragestellung eine mögliche industrielle Anwendung entstehen kann. Die Forschenden haben inzwischen Gespräche mit Unternehmen aus verschiedenen Produktbereichen geführt. Ziel ist es, das Verfahren weiterzuentwickeln und auf weitere Enzyme und industrielle Prozesse auszudehnen. Noch sind dafür weitere Untersuchungen notwendig, unter anderem zur langfristigen Stabilität der Biokatalysatoren und zur Übertragung des Verfahrens in den technischen Maßstab.
Die Forschung wurde bereits Anfang 2026 mit dem Jörg Schwarzbich Inventor Award 2025 ausgezeichnet. Der mit 40.000 Euro dotierte Preis wird von der Universitätsgesellschaft Bielefeld und der Universität Bielefeld vergeben und würdigt wissenschaftliche Erfindungen mit hohem Innovations- und Anwendungspotenzial.
Einschätzung von Professor Dr. Harald Gröger zum Thema: „Der entscheidende Schritt war, das Enzym nicht an Oberflächen zu befestigen, sondern in eine dreidimensionalen Käfigverbindung einzufügen. Dadurch können wir Enzyme bei Temperaturen verwenden, die für effiziente biokatalytische Reaktionen bislang zu hoch und somit nicht geeignet waren. Jetzt geht es darum, dieses Konzept weiterzuentwickeln und für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen.“
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