Design der Redox-Biokatalyse in tiefeutektischen Lösungsmitteln (DESiRE)

• Antragstellerinnen: Professorin Dr.-Ing. Selin Kara; Professorin Dr.-Ing. Irina Smirnova
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391127961

Lösungsmitteldesign und -auswahl mit besonderem Fokus auf ihre Nachhaltigkeit ist derzeit ein Schwerpunkt in der chemischen und biologischen Katalyse. Die Biokatalyse basiert traditionell auf wässrigen Medien oder klassischen organischen Lösungsmitteln (vor allem für Hydrolasen) oder auch zweiphasige Systeme dieser Medien. Unter diesem Aspekt wurden „Deep Eutectic Solvents“ (DESs) als „Lösungsmittel des 21. Jahrhunderts“ identifiziert und bieten eine sichere und nachhaltige Alternative als Lösungsmittel für die Biokatalyse. Zusammengefasst basieren die Vorteile von DESs auf ihrem oftmals biogenen Ursprung und ihren Eigenschaften wie Schmelzpunkt unterhalb der Raumtemperatur, geringe Flüchtigkeit, hohe thermische Stabilität, Einstellbarkeit analog zu ionischen Flüssigkeiten, biologische Abbaubarkeit, hohe Verfügbarkeit bei akzeptablen Kosten und einfache Präparation. Insbesondere der hohe Freiheitsgrad beim Design eines DES aus einer Vielzahl von (biogenen) Substanzen ermöglicht die Einrichtung einer nachhaltigen Lösungsmittelplattform. Das enorme Potential von DESs für biokatalytische Anwendungen wurde vor allem für Hydrolasen (EC3) untersucht, nachdem ihre erste Anwendung im Jahr 2008 demonstriert wurde. Im Gegensatz zu EC3 Enzymen, wurden Oxidoreduktasen (EC1) nur selten in Medien, die überwiegend aus DESs bestehen, angewendet. Nur wenige Beispiele für die DES Verwendung für Alkoholdehydrogenasen (ADHs) sind dokumentiert (darunter vor allem Veröffentlichungen aus der ersten Projektphase dieses Projektes). Dabei wurde entweder der Einsatz von DESs für die organische Synthese demonstriert, wobei eine DES Komponente als Substrakt genutzt wurde, oder zum Verständnis der Effekte von verschiedenen DESs auf die Aktivität und Stabilität eines Redox-Enzyms. Die Redox-Biokatalyse ist immer noch unterrepräsentiert für DES basierte Anwendungen, dies wird bei der interdisziplinären Aufstellung von DESiRE berücksichtigt. Insgesamt präsentiert das hier vorgestellte Folgeprojekt eine klare Strategie zur Aufklärung der Protein-DES-Wasser Interaktionen, welche essentiell ist für das Verständnis der ADH-Katalyse in DESs. Insbesondere die enge Zusammenarbeit zwischen experimentellen Methoden und molekularen Simulationen wird zu neuen Erkenntnissen auf verschiedenen Skalen führen. Des Weiteren wird dieses Folgeprojekt neue Möglichkeiten erschließen, um andere Enzymklassen im Hinblick auf den Einfluss von DESs auf ihre katalytische Performance (Aktivität, Stabilität und Selektivität) zu evaluieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Spanien
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Sven Jakobtorweihen
• Kooperationspartner: Dr. Pedro Domínguez de María