Einführung in die Enzymtechnologie

Enzyme sind Biokatalysatoren, die biochemische Reaktionen beschleunigen und damit den Stoffwechsel von Organismen aufrechterhalten. Bei Enzymen handelt es sich um Proteine, die aus Aminosäuren aufgebaut sind. Die eine Hälfte des Kapitels widmet sich dem allgemeinen Aufbau von Enzymen sowie deren Struktur. Viele Enzyme benötigen für ihre Aktivität Cofaktoren. Das können entweder kleine organische Moleküle oder Metallionen sein. Das Kapitel gibt einige Beispiele für Cofaktoren in Enzymen und ihre Rolle in enzymkatalysierten Reaktionen. In der zweiten Hälfte des Kapitels werden die Mechanismen beleuchtet, die Enzyme zur Katalyse von Reaktionen nutzen. Dazu zählen Säure-Base-Katalyse, kovalente Katalyse, Metallionenkatalyse, Annäherungs- und Orientierungseffekte sowie die Stabilisierung des Übergangszustandes.

Die Struktur und die Funktion von Enzymen lassen sich durch zwei komplementäre Methoden modellieren. In der datengetriebenen Modellierung werden experimentelle Daten zur Sequenz, Struktur und Funktion in Datenbanken erfasst und statistisch ausgewertet. Da sequenzähnliche Proteine meist eine ähnliche Struktur und eine ähnliche Funktion haben, lassen sich durch einen Vergleich von Proteinsequenzen die Struktur und die biochemischen Eigenschaften neuer Proteine auf der Grundlage ihrer Sequenz vorhersagen. In der mechanistischen Modellierung wird die Struktur und Dynamik von Enzymen sowie ihre Wechselwirkung mit Substraten und Lösungsmitteln auf molekularer Ebene beschrieben. Dadurch lassen sich interessante Eigenschaften wie die Substratspezifität, die Selektivität, lösungsmittelbedingte Konformationsänderungen oder die Stabilität von Proteinkomplexen verstehen. Die Verknüpfung von datengetriebener und mechanistischer Modellierung erlaubt es, neue Enzyme aufzufinden und bekannte Enzyme durch Aminosäureaustausche zu verbessern.

Enzymkatalysierte Reaktionen sind nichts anderes als chemische Reaktionen, die durch einen Katalysator der Natur beschleunigt werden. Die Enzymkinetik beschreibt die Geschwindigkeit, mit der ein oder mehrere Substrate von einem Enzym zu einem oder mehreren Produkten umgesetzt werden. Die Thermodynamik gibt hierbei nur die Möglichkeit einer Reaktion an, und es ist unerheblich, ob diese Reaktion unkatalysiert abläuft oder mit einem chemischen oder biologischen Katalysator beschleunigt wird. Die grundsätzlichen Prinzipien der Bestimmung der kinetischen Parameter zur Beschreibung der Reaktionsgeschwindigkeit sowie mögliche Inhibierungsphänomene werden in diesem Kapitel im Detail vorgestellt.

Der Einsatz von Enzymen bedingt die Verwendung von Reaktoren, mit welchen auf vorliegende Inhibierungen oder Deaktivierungen des Enzyms reagiert werden kann. Beim Betrachten der Grundreaktortypen im Batch- oder kontinuierlichen Betrieb können innerhalb idealisierter, mathematischer Beschreibungen bereits Regeln abgeleitet werden, die im industriellen Maßstab die Produktion ermöglichen. Dieses Kapitel beschäftigt sich daher mit der Reaktorführung für enzymkatalysierte Reaktionen. Es wird auf Basis idealer Bedingungen ein Einblick in die Berechnung verschiedener Reaktortypen gegeben, um die wichtigsten Parameter zur Bewertung eines enzymkatalysierten Prozesses bestimmen und die grundlegenden Reaktoren voneinander unterscheiden zu können. Zudem erfolgt die Diskussion zur Auswahl des Reaktors bei Inhibierungsphänomen sowie verschiedenen Prozessführungsstrategien. Anhand von Beispielen wird am Ende des Kapitels die industrielle Relevanz enzymkatalysierter Reaktionen aufgezeigt, wobei für die Wirtschaftlichkeit eines industriellen Prozesses immer die Gesamtheit thermodynamischer und kinetischer Parameter berücksichtigt werden muss.

Die Methoden für die Identifizierung und Charakterisierung „idealer“ Enzyme für den industriellen Einsatz im Bereich „Weißer“ Biotechnologie haben sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Der Einsatz aktivitätsbasierter Methoden für die Enzymidentifizierung aus natürlichen Ressourcen wie dem Metagenom erlaubt das Auffinden selektiver und aktiver Biokatalysatoren. Der wesentliche Vorteil eines aktivitätsbasierten Screenings ist die direkte Identifizierung gewünschter Enzymaktivitäten völlig unabhängig von jeder Kenntnis über Sequenz oder Struktur eines Enzyms. Auf diese Weise ermöglicht das aktivitätsbasierte Screening auch die Identifizierung neuer, bisher unbekannter Enzyme. In diesem Kapitel werden die Ressourcen für eine Enzymidentifizierung sowie die strategische Herangehensweise in einem Multiparameterscreening beschrieben. Außerdem werden die verschiedenen Methoden, die in einer solchen Screeningkampagne zum Einsatz kommen, deren Vor- und Nachteile und Kombinationsmöglichkeiten erläutert.

Bioinformatische Methoden zur Sequenzanalyse homologer DNA- oder Proteinsequenzen gehören heutzutage zum Grundwerkzeug in den biologischen Wissenschaften, ob zur Bestimmung der Sequenzidentität zweier Enzyme oder DNA-Moleküle, der Auffindung homologer Sequenzen eines bekannten Proteins oder der Analyse komplexer Verwandtschaftsverhältnisse ganzer Organismen. Das Buchkapitel gibt speziell einen Überblick über gängige bioinformatische Methoden zur Identifikation neuer Enzymsequenzen in öffentlichen Datenbanken, angefangen von der Homologiesuche basierend auf einer bekannten Sequenz, die Erstellung multipler Sequenzalignments bis hin zur phylogenetischen Analyse neu identifizierter Sequenzen. Dabei wird neben der Vermittlung der theoretischen Grundlagen und deren Veranschaulichung anhand eines praktischen Beispiels besonders auf verfügbare Programme und deren Unterschiede eingegangen.

Für eine effiziente Anwendung von Enzymen in der Biokatalyse ist oft deren Optimierung notwendig, um beispielsweise Selektivität, Aktivität, Toleranz von Lösungsmitteln und Stabilität für industrielle Anwendungen zu verbessern. In diesem Kapitel werden daher Konzepte wie rationales Design und gerichtete Evolution für das Protein-Engineering von Enzymen beschrieben. Molekularbiologische Methoden zur Erzeugung von Mutantenbibliotheken durch positionsgerichtete Mutagenese oder Verfahren der Zufallsmutagenese werden ebenfalls vorgestellt sowie Konzepte für Screening oder Selektion zur Identifizierung gewünschter Enzymvarianten. Mehrere Beispiele illustrieren die erfolgreiche Verbesserung von Biokatalysatoren.

Die Wahl des Wirtsorganismus ist entscheidend für die Enzymproduktion. Nach einem Überblick über limitierende Faktoren in der Proteinbiosynthese, welche die biotechnologische Produktion von Enzymen beeinflussen, werden die Vor- und Nachteile der (Mikro-)Organismen beschrieben, die häufig für die Enzymproduktion eingesetzt werden. Anschließend wird erklärt, wie man einen Organismus dazu bringt, ein ihm „unbekanntes“ Protein oder Enzym zu produzieren, und schließlich werden Probleme bei der biotechnologischen Enzymproduktion sowie deren Lösungen und Optimierungsmöglichkeiten kurz aufgeführt.

Die wachsende Bedeutung von Enzymen für zahlreiche Industriezweige, wie z. B. die Lebensmittel-, Biotech-, Pharma- und Kosmetikindustrie, erhöht auch den Bedarf an effizienten und schnellen Methoden zu ihrer Isolierung und Prozessierung auf die in der jeweiligen Anwendung erforderlichen Reinheiten. Mit den heutzutage zur Verfügung stehenden Techniken zur Proteinreinigung kann dabei davon ausgegangen werden, dass es im Prinzip gelingt, jedes Enzym bis zur geforderten Qualität und Homogenität zu reinigen. Die mit entsprechenden, vielstufigen Trennprozessen verbundenen Kosten sind aber teilweise sehr hoch und verursachen einen erheblichen Anteil der Gesamtproduktionskosten. Ein vertieftes Verständnis der zur Enzymreinigung eingesetzten Methoden sowie ihrer jeweiligen Stärken und Limitierungen ist daher ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung von enzymtechnologischen Verfahren im industriellen Maßstab, aber auch z. B. von Reinigungsprozessen für pharmakologische Enzyme, die den regulatorischen Anforderungen genügen. Das Kapitel bietet einen Überblick über die wichtigsten Reinigungsverfahren für technische, diagnostische und therapeutische Enzyme sowie deren Verknüpfung zu effektiven Gesamtprozessen.

Immobilisierung ist ein vergleichsweise alter Ansatz, Enzyme technisch nutzbar zu machen. Ziele sind sowohl die Erhöhung von Produktivität und Enzymstandzeiten als auch die Verbesserung der praktischen Handhabung und Erleichterung der Enzymrückgewinnung. Das Kapitel gibt einen Überblick der wesentlichen, praktisch relevanten Immobilisierungsprinzipien und erläutert deren wichtigste molekulare und physikalisch-chemische Effekte auf die katalytische Leistungsfähigkeit von Enzymen. Zentrale Kenngrößen des Immobilisierungsprozesses und der resultierenden Immobilisate werden beschrieben und Überlegungen zur Methodenwahl vor dem Hintergrund einer technischen Anwendung angestellt.

Der Einsatz von Enzymen in ungewöhnlichen Reaktionsmedien hat in den vergangenen Jahren vor allem für die organische Synthese und die chemische Industrie große Bedeutung gewonnen. Neben polaren und unpolaren organischen Lösungsmitteln sowie superkritischen Fluiden sind inzwischen auch ionische Flüssigkeiten und stark eutektische Lösungen als Reaktionsmedien für enzymatische Synthesen beschrieben. Die Hauptmotivationen zum Einsatz von Enzymen in ungewöhnlichen Reaktionsmedien sind, die Löslichkeit von Substraten und Produkten gegenüber wässrigen Reaktionssystemen deutlich zu erhöhen, die anschließende Aufarbeitung zu vereinfachen und mikrobielle Kontaminationen sowie Neben- und Abbaureaktionen zu vermeiden.

Enzyme zeigen in ungewöhnlichen Reaktionsmedien in der Regel andere Eigenschaften und katalysieren auch andere Reaktionen als in wässrigen Systemen. So können hydrolytische Enzyme in fast wasserfreien Reaktionsmedien erfolgreich für Synthesereaktionen eingesetzt werden, um dabei deren Eigenschaften Regioselektivität, Stereoselektivität und Substratspezifität gezielt zu nutzen. Bei allen Reaktionen ist für eine erfolgreiche Durchführung die Berücksichtigung der Wasseraktivität a_W wesentliche Voraussetzung. Durch das bei den jeweiligen Synthesereaktionen entstehende Reaktionsprodukt Wasser ab einer bestimmten Konzentration zu einer Gleichgewichtseinstellung kommt. Daher sollte das Reaktionswasser entweder aus den Reaktionsansätzen entfernt werden, oder dessen Bildung sollte durch Wahl geeigneter Reaktionsbedingungen oder Substrate vermieden werden.

Die Verwendung von Enzymen stellt eine Schlüsseltechnologie für die chemische Synthese dar, welche milde Reaktionsbedingungen mit hohen Selektivitäten verbindet. Die Biokatalyse hat sich hier in den letzten Jahrzehnten enorm entwickelt und bietet zahlreiche Lösungen für viele Problemstellungen im Bereich der Pharma-, Feinchemie-, und Bulk-Chemikalien-Industrie. Dennoch ist die Biokatalyse eine sich kontinuierlich weiterentwickelnde Technologie mit dem Ziel, die Produktivität der Synthesewege zu erhöhen, Umweltverschmutzung und Kosten zu verringern und damit mehr Nachhaltigkeit zu schaffen. Dieses Buchkapitel konzentriert sich auf neu entwickelte Prozesskonzepte, welche die Biokatalyse zu einer zukünftigen Schlüsseltechnologie für die Synthese der Chemikalien unseres Bedarfs machen.

In diesem Kapitel wird die Verwendung von Enzymen zur Herstellung von Produkten in der chemischen und pharmazeutischen Industrie vorgestellt. Basierend auf einigen Definitionen und einem kurzen historischen Abriss wird anhand von Prozessen und Anwendungsbeispielen verdeutlicht, welche Einsatzgebiete Enzyme zur Herstellung chemischer und pharmazeutischer Erzeugnisse haben. Hierbei wurden Prozesse ausgewählt, die wegen ihrer Produktionsleistung bedeutsam sind, oder weil sie exemplarisch für eine wichtige Enzym- oder Produktklasse stehen. Für ausführlichere Erläuterungen und einen vollständigen Überblick wird auf die Referenzen verwiesen.

Die enzymatische Hydrolyse im Rahmen eines Bioraffinerieprozesses spielt eine Schlüsselrolle in der Umwandlung lignocellulosehaltiger Biomasse in Zucker, die wiederum als Substrate für die Fermentation zu Chemikalien oder Kraftstoffen eingesetzt werden. Dabei beschreibt Abschn. 15.1 die Zusammensetzung der Lignocellulose aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin und deren Einfluss auf die Hydrolyse. Cellulose wird durch von Pilzen sekretierte Cellulasen in das Monomer Glucose abgebaut (Abschn. 15.2), während Hemicellulose und Lignin durch Hemicellulasen und Ligninasen abgebaut werden (Abschn. 15.3). Die Wahl eines geeigneten Enzymcocktails hängt von der Zusammensetzung der Biomasse ab und diese wiederum von den Vorbehandlungsverfahren (Abschn. 15.4). Abschließend werden besondere Herausforderungen am Beispiel einer Ethanolbioraffinerie aufgezeigt (Abschn. 15.5).

In der Lebensmittelherstellung werden vier Enzymklassen bevorzugt eingesetzt. Oxidoreduktasen (z. B. Glucose-Oxidase, Katalase) können zur Erhöhung der Haltbarkeit von Lebensmitteln beitragen oder als Antioxidant wirken. Transferasen (z. B. Transglutaminase) können für die Textur in einem Lebensmittel wichtig sein. Hydrolasen finden die breiteste und vielseitigste Anwendung in der Lebensmittelbiotechnologie. So werden Lipasen beispielsweise bei der Produktion bestimmter Käseprodukte und -sorten oder Margarinen und Glykosidasen (z. B. β-Galactosidasen) für die Herstellung von lactosefreier Milch oder präbiotischen Galactooligosacchariden (GOS) eingesetzt. Peptidasen (z. B. Chymosin) werden z. B. für die Dicklegung der Milch bei der Käseproduktion benötigt und diverse mikrobielle Peptidasen für Proteinhydrolysate von Spezialnahrungsmitteln (z. B: Babynahrung, Sportlernahrung) und Speisewürzen. Die bekannteste Isomerase lagert d-Glucose intramolekular zu d-Fructose um, wird immobilisiert eingesetzt und dient zur Produktion von Zuckersirup für Softdrinks u. a. Lebensmitteln im Millionen-Tonnen-Maßstab. Neue Isomerasen (Cellobiose-2-Epimerasen) können direkt die in Milch befindliche Lactose zu Lactulose und Epilactose, zwei potenziell präbiotischen Zuckern, umwandeln. Diese Beispiele machen deutlich, dass der gezielte Einsatz von Enzymen die Eigenschaften der Lebensmittel positiv verändern kann und dadurch eine höhere Qualität und Wertschöpfung der Produkte hinsichtlich ihrer Haltbarkeit und Textur, ihres Geschmacks und physiologischer Funktionalität erreicht werden kann.

Enzyme in Wasch- und Reinigungsmitteln tragen wesentlich zur Leistungssteigerung und zur Verbesserung der Umwelteigenschaften von Wasch- und Reinigungsmitteln bei. Sie sind auch wesentlich für die Differenzierung von Premium-Marken in Relation zu Standard und „Value-for-Money“-Produkten. In Waschmitteln werden Proteasen, Amylasen, Cellulasen, Lipasen, Mannanasen und Pectat-Lyasen eingesetzt. In maschinellen Geschirrspülmitteln sind es Proteasen und Amylasen. In diesem Kapitel werden Leistungsmerkmale der Enzyme und die typischen Anforderungen der verschiedenen Enzymklassen für diese Produkte besprochen. Die Vorteile der Enzymtechnologie für die Nachhaltigkeit des Waschens werden ebenso bewertet wie Aspekte von Gesundheit, Sicherheit und Umweltrelevanz. Die wirtschaftliche Bedeutung wird gestreift und ein Ausblick auf die erwartete Zukunft versucht.

Enzymbasierte Biosensoren finden seit mehr als fünf Jahrzehnten einen prosperierenden Wachstumsmarkt und werden zunehmend auch in biotechnologischen Prozessen eingesetzt. In diesem Kapitel werden, ausgehend vom Sensorbegriff und typischen Kenngrößen für Biosensoren (Abschn. 18.1), elektrochemische Enzym-Biosensoren vorgestellt und deren typischen Einsatzgebiete diskutiert (Abschn. 18.2). Ein Blick über den „Tellerrand“ hinaus zeigt alternative Transduktorprinzipien (Abschn. 18.3) und führt abschließend in aktuelle Forschungstrends ein (Abschn. 18.4).

Enzyme können therapeutisch sowohl äußerlich, oral als auch intravenös angewendet oder sogar inhaliert werden. Neben der seit Langem etablierten Applikation von tierischen, pflanzlichen und mikrobiellen Enzymen zur Ernährungsunterstützung, gewinnt ihr meist unterstützender therapeutischer Einsatz bei Infektions- und Krebserkrankungen, in Zusammenhang mit Blutgerinnung und bei verschiedenen seltenen genetisch verursachten Stoffwechselerkrankungen, zunehmend an Bedeutung. Im Gegensatz zu vielen Medikamenten zeigen Enzyme dabei in der Regel wenige bzw. keine Nebenwirkungen, andererseits stellt eine intravenöse Anwendung jedoch sehr hohe Anforderungen an ihre Reinheit und Qualität, um z. B. allergene Reaktionen zu vermeiden.

Klassische Herstellungsverfahren für Enzyme humanen Ursprungs zum intravenösen Einsatz gehen bei deren Isolierung aus von menschlichem Urin oder von Blutplasma, moderne Verfahren arbeiten bei der Herstellung mit tierischen Zellkulturen. Durch eine PEGylierung von therapeutischen Enzymen kann Einfluss genommen werden auf deren Löslichkeit, Immunogenität und Pharmakokinetik, z. B. durch Reduktion der Proteolyse und Erhöhung der Stabilität im Serum. Entsprechend modifizierte therapeutische Enzyme werden mit dem Namenszusatz „Peg-“ versehen (z. B. „Pegasparagase“).