Bioaktive Wasserpulver für die Katalyse in zweiphasigen Systemen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Marion Ansorge-Schumacher
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469188416

Der Einsatz von Biokatalysatoren in der chemischen Synthese birgt enormes Potenzial für zahlreiche Industrien, da sowohl die ökonomische Effizienz als auch die Umweltfreundlichkeit der Herstellungsprozesse verbessert werden. Ein wesentlicher Nachteil erwächst jedoch aus der Beschränkung der Aktivität auf wässrige Umgebungen. Verbindungen, die in Wasser nur wenig löslich oder stabil sind, d.h. die Mehrheit organischer Verbindungen in der Synthese, sind damit kaum zugänglich. Das hier beschriebene Projekt zielt darauf, das Einsatzspektrum biokatalysierter Synthesen zu erweitern, indem bioaktive Wasserpulver als neue, kostengünstige und leicht zu handhabende Werkzeuge für die Nutzung von Enzymen in organischen Medien eingeführt werden. Dafür werden die Enzyme innerhalb der wässrigen Phase in Form kleiner Partikel verkapselt, indem hydrophobe Silicatpartikel eine stabile Schale um die Wasserphase formen. Es wurde bereits gezeigt, dass Partikel in organischen Lösungsmitteln stabile Emulsionen bilden können (Pickering Emulsionen), in denen die Aktivität von Biokatalysatoren, insbesondere sensitiver Enzyme, deutlich verbessert ist. Da die Erzeugung der Emulsionen jedoch weiterhin eine organische Phase erfordert, konnten negative Effekte auf die Stabilität der Enzyme während des Produktionsprozesses und ein daraus resultierender Aktivitätsverlust nicht verhindert werden. Auch war es nicht möglich, den Herstellungsprozess zu standardisieren. Zur Lösung dieses Problems wird hier vorgeschlagen, Enzyme in Pulver aus Trockenwasser (DWPs), d.h. Partikel-stabilisierte Wasserphasen, die an der Luft erzeugt werden, zu verkapseln bevor diese den organischen Reaktionsmedien zugeführt werden. Ein solcher Einsatz von DWPs ist bislang nicht beschrieben, daher beinhaltet dies eine ausführliche grundlegende Studie der erforderlichen Materialeigenschaften und der Effekte des Ansatzes auf Enzyme und ihre katalytische Effizienz. In enger Kooperation von Materialwissenschaftlern und Enzymtechnologen an der Jilin Universität (China) bzw. der TU Dresden (Deutschland) wird das System in einem iterativen Prozess für den synthetischen Einsatz entwickelt und an existierenden Alternativen gemessen. Die besten Varianten werden mit verschiedenen, industriell relevanten Enzymen beladen und hinsichtlich der synthetischen Leistungsfähigkeit evaluiert. Darunter befinden sich kürzlich beschriebene (Pseudo)Ephedrindehydrogenasen, die die asymmetrische Synthese diverser enantiomerenreiner alpha-Hydroxyketone katalysieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Dayang Wang