Polymere Kern-Schale-Architekturen zur Überführung von biokatalytisch aktiven Enzymen in nicht-wässrige Reaktionsmedien unter Erhöhung der Leistungsfähigkeit

• Antragsteller: Dr. Changzhu Wu, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Bioverfahrenstechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277012812

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines einfachen Synthesekonzeptes zur Herstellung von hochfunktionalisierten Kern-Schale-Nanopartikeln, bestehend aus einem hydrophilen Kern und einer hydrophoben Schale, zur Verkapselung von funktionellen Enzymen und deren anschließendem Transfer in die organische Phase unter Erhöhung ihrer Leistungsfähigkeit. Um dieses Ziel zu erreichen soll die gesamte Architektur schrittweise aufgebaut werden, beginnend mit der Synthese einer stabilen hydrophoben Schale bis hin zur Bildung einer mechanisch stabilen und biologisch kompatiblen Kernmatrix. Für die Bildung von Wasser-in-Öl (w/o) - Emulsionen wird die Schale aus synthetischen Block-Co-Polymeren aufgebaut, die anschließend vernetzt werden. Dabei soll die Korrelation zwischen Schalenstabilität und Polymereigenschaft ermittelt und verstanden werden. Das innere Kernnetzwerk soll durch Verwendung von biokompatiblem Material stetig weiterentwickelt und verstärkt werden, um die verkapselten Enzymen zu stabilisieren und die mechanische Festigkeit der gesamten Kermmatrix zu verbessern. Andererseits werden wir die Kern-Schale-Architekturen hinsichtlich gesteigerter katalytischer Leistungsfähigkeit (Aktivität, Stabilität und Wiederverwendbarkeit) wiederholt evaluieren und optimieren. Dabei werden in allen Phasen des Projektes drei Enzyme unterschiedlicher Klassen eingebunden, nämlich Lipase B aus Candida antarctica (CalB), Benzaldehydlyase aus Pseudomonas fluorescens (BAL) und Carbonylreduktase aus Candida parapsilosis (CPCR2). Auf diese Weise soll letztlich generelles Verständnis entwickelt werden, wie durch maßgeschneiderte Hydrophobizität der äußeren Schale und Biokompatibilität der Mikroumgebung Biokatalyse in organischen Lösungsmitteln verbessert werden kann. Durch Anwendung unterschiedlicher Mikroskope wird das System außerdem physikalisch charakterisiert und durch Bestimmung der Enzymkinetik quantitativ untersucht, sodass weiter gehende Einblicke in Carriereigenschaften (z.B. Größe, Quellverhalten, Substanzlöslichkeiten), die für den Stofftransport während der Katalyse relevant sind, gewonnen werden können. Schließlich werden wir in Demonstrationsversuchen die optimalen Kern-Schale-Kapseln zur enzymatischen Synthese chiraler Verbindungen in organischen Lösungsmitteln einsetzen. Der Antragsteller hofft, dadurch Interesse für das Gebiet der asymmetrischen Synthese durch mit rational entwickelten polymeren Netzwerken verkapselte Enzyme zu wecken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Rainer Haag; Professorin Dr. Regine von Klitzing