Biokatalyse Biokatalyse im Mikromaßstab untersuchen

Ob Medikamente oder Feinchemie – bei der Entwicklung neuer Verfahren wird immer öfter auf die Biokatalyse gesetzt. Forscher haben nun einen Weg gefunden, den biokatalytischen Prozess in einem integrierten Mikrochip stattfinden zu lassen und genau zu verfolgen.

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Leipzig – Chemiker der Universität Leipzig haben in Kooperation mit Wissenschaftlern der Universität Marburg und des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr eine neue Methode entwickelt, um die Biokatalyse im Mikromaßstab untersuchen zu können. Der Fokus lag bei ihren Untersuchungen auf der sogenannten enantioselektiven (asymmetrischen) Katalyse. Bei dieser Stoffumwandlung mit einem Katalysator werden Substanzen hergestellt, die sich so ähneln wie Bild und Spiegelbild, aber nicht zur räumlichen Deckung gebracht werden können. Trotz dieser großen Ähnlichkeit entfalten sie im Organismus jedoch sehr unterschiedliche Wirkung. "Mit diesem Ansatz kann man potenziell sogar einzelne Zellen im Hinblick auf ihre Wirksamkeit in der enantioselektiven Biokatalyse unterscheiden", sagt Belder.

Der Clou des Verfahrens: Die Chemiker um Prof. Detlev Belder von der Universität Leipzig bedienen sich der sogenannten Lab-on-a-Chip-Technologie, bei der geschrumpfte chipbasierte Chemielabore genutzt werden, um komplexe chemische Prozesse und Untersuchungen in haarfeine Kanäle zu integrieren. Damit konnten die Forscher nun die enantioselektive Biokatalyse mit ganzen Zellen in bisher unerreicht kleinen Dimensionen studieren.

Statt Abermillionen von Zellen in riesigen Bioreaktoren (Fermentern) zu verwenden, wurden nur wenige Zellen des Coli-Bakteriums auf einen Mikrochip aufgetragen. Dort konnten die Forscher die Synthese zu Feinchemikalien und potenziellen Medikamenten in Volumina kleiner als ein Nebeltropfen verfolgen. "Eine wichtige Frage, die sich in diesem Zusammenhang stellt, ist, ob sich individuelle Zellen in der gewünschten Funktion unterscheiden, oder - bildlich gesprochen - ob sich einzelne Schafe anders als die Herde in ihrer Gesamtheit verhalten", erklärt der Chemiker. Diese Erkenntnis könnte neue Wege in der maßgeschneiderten Bio- bzw. Enzymkatalyse eröffnen und die Entwicklung neuer, bezahlbarer Medikamente beschleunigen. Eine weitere Vision wäre, so Reetz, "die Entwicklung einer Parallelisierung auf dem Mikrochip zwecks Hochdurchsatz-Analyse von ganzen Mutanten-Bibliotheken für Anwendung auf dem Gebiet der gerichteten Evolution enantioselektiver Enzyme."

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