Enzyme helfen bei Medikamenten, Organismen und Biotreibstoffen

Forscher stellen eine gänzlich neue Ära der Chemie in Aussicht: rein biologisch, umweltverträglich, ressourcenschonend. Ihre Wunderwaffe sind Enzyme - und diese helfen bei der Entwicklung von neuartigen Medikamenten, künstlichen Organismen und Biotreibstoffen.

Von Alfred Bankhamer

Im Garten von Georg Gübitz gedeihen auf einem alten Baumstumpf Modellorganismen, die der Biochemiker gut gebrauchen kann. Der Professor am Institut für Umwelttechnologie der Uni für Bodenkultur interessiert sich für Pilzgewächse mit wunderlichen Namen wie Trametes versicolor (Schmetterlingstramete), Schizophyllum commune (Gemeiner Spaltblättling) und Trametes hirsuta (Strigelige Tramete), denen eines gemeinsam ist: Sie ernähren sich dank enzymatischer Prozesse von altem Holz.

Enyzme aus der Strigeligen Tramete nutzt Gübitz für ein Forschungsprojekt am Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib), um gemeinsam mit einem Wirtschaftspartner neue Biolacke zu entwickeln. Denn besonders die gängigen Alkydharz-Lacke, von denen allein in Europa rund 700.000 Tonnen pro Jahr hergestellt werden, um Holzböden, Gartenmöbel oder Metalle zu streichen, stehen in Verdacht, wegen des darin enthaltenen Schwermetalls Kobalt Krebs zu erregen. Das Kobalt dient als Katalysator, um den Lack trocknen zu lassen. Auf die Idee, stattdessen ein Pilzenzym zu verwenden, verfiel Gübitz im Jahr 2009. "Wir wussten, dass im Pilz das passende Enzym Laccase vorhanden ist, und haben einen Prozess entwickelt, um es aus dem Baumpilz zu isolieren“, berichtet der Wissenschafter. Nach gut vier Jahren Forschung werden nun die ersten Lackproben produziert. Bereits kommendes Jahr soll das Produkt auf den Markt gelangen. Das Vorhaben sorgte denn auch für einiges Aufsehen in der internationalen Expertenwelt und schaffte es auf die Titelseite der Februar-Ausgabe des Fachmagazins "Green Chemistry“.

"Wir widmen uns aber auch Projekten, um zum Beispiel bedenkliche Bindemittel in Werkstoffen wie Hartfaserplatten zu ersetzen“, so Gübitz. Denn diese können giftige Dämpfe erzeugen - wie das schon längst in Verruf geratene Formaldehyd. Als Alternative dienen auch hier Pilzenzyme. Sie können Holzoberflächen mit völlig neuen Eigenschaften versehen. "Holzwerkstoffe lassen sich in Bädern, Terrassen oder sogar in der Medizin einsetzen, weil die Oberflächen wasser-, schmutzabweisend oder antimikrobiell werden“, erklärt Gübitz. Anders als etwa bei herkömmlichen Imprägnierungen wird bei der sogenannten Biokatalyse eine permanente chemische Bindung erzeugt. Das Verfahren gilt als sicher, da keine Imprägnierungsmittel freigesetzt werden. Und weil die natürlichen Prozessen gehorchende Biokatalyse im Vergleich zu chemischen Verfahren bei deutlich geringeren Temperaturen abläuft, ist auch der Energieverbrauch bescheiden.

Die Holz-Projekte repräsentieren nur eine Variante, wie Enzyme gezielt als natürliche Werkzeuge für neue biochemische Prozesse taugen können. Zu den Einsatzfeldern zählen überdies Grundchemikalien, Medikamente, Nahrungsmittel und Biotreibstoffe. Das Reservoir an Ausgangssubstanzen ist prinzipiell unerschöpflich: Allein im menschlichen Körper existieren Tausende von Enyzmen, die vorwiegend aus komplexen Eiweißmolekülen bestehen. Sie setzen biochemische Reaktionen in Gang und beschleunigen sie deutlich. Die meisten Enzyme sind jeweils auf ganz bestimmte Aufgaben spezialisiert, um etwa aus Holz Zucker zur Zellernährung zu gewinnen, im Magen Fette und Eiweiße zu verdauen oder die Fließfähigkeit des Blutes zu kontrollieren. Enzyme sind auch für das Immunsystem entscheidend und sorgen generell dafür, dass chemische Reaktionen in Körperzellen exakt gesteuert werden.

Genutzt werden Enzyme von der Menschheit schon seit Jahrtausenden, um etwa Bier zu brauen, Sauermilch und Käse herzustellen oder auch Wunden zu heilen. Das erste Enzym (damals als Ferment bezeichnet) entdeckte der französische Chemiker Anselme Payen 1833. Dem deutschen Chemiker Eduard Buchner gelang es 1897 erstmals, ein Enzym aus Hefezellen zu isolieren. Schon Anfang des 20. Jahrhunderts wurden frische Enzyme aus der tierischen Bauspeicheldrüse zur Krebstherapie verwendet. Und in den 1950er-Jahren behandelte der Arzt Max Wolf Prominente wie Enrico Caruso, Marilyn Monroe, Marlene Dietrich und Charles Chaplin mit einem speziellen Enzymgemisch.

Im industriellen Bereich setzte die breitere Anwendung erst in den 1970er-Jahren ein. Fett und Eiweiß abbauende Enzyme helfen seitdem, dass Wäsche auch bei niedrigen Temperaturen sauber wird. Enzyme werden in Bioreaktoren durch Mikroorganismen oder Bakterien produziert, in Zellen erzeugt und mittels Hochdruckbehandlung extrahiert, direkt aus Pflanzen wie Kren oder tierischen Quellen wie Schweinslebern gewonnen. Die neuesten und effektivsten Verfahren zur Enzymgewinnung fußen auf der Gentechnik, indem Hefe oder Pilze so manipuliert werden, dass sie tierische oder pflanzliche Enzyme produzieren.

Enzyme spielen zwar bereits in vielen Bereichen wie der Pharmazie, der Medizin oder auch zum Bleichen von Papier eine wichtige Rolle. Doch erst jetzt wird der wirklich große Durchbruch erwartet. Denn zahlreiche Produkte, die bislang traditionell chemisch hergestellt wurden, sollen künftig auf biotechnischem Wege generiert werden. "Es entsteht gerade eine völlig neue Chemie, die auf erneuerbare Ressourcen setzt, umweltverträglicher ist und weit weniger Energie benötigt als herkömmliche chemische Prozesse“, sagt Anton Glieder, wissenschaftlicher Geschäftsführer des Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib).

Dieses 2010 gegründete österreichische Kompetenzzentrum für industrielle Biotechnologie beschäftigt rund 200 Forscher und repräsentiert einen Zusammenschluss von zehn Universitäten und mehr als 30 Partnern aus der Industrie. Viele Projekte konzentrieren sich auf den Bereich der Enzyme. Deren Einsatz verspricht gegenüber klassischen chemischen Prozessen viele Vorteile: Durch die deutlich niedrigeren Temperaturen und Drücke lässt sich viel Energie sparen. Zugleich können bedenkliche Substanzen wie Schwermetalle oder Lösungsmittel durch nachwachsende, biologisch abbaubare Produkte ersetzt werden.

Ein Projekt unter der Leitung von Margit Winkler, an dem mit den Pharmakonzernen Hoffmann LaRoche und Novartis gleich zwei konkurrierende Industriepartner teilgenommen haben, soll die Entwicklungszeiten von Medikamenten beträchtlich verkürzen. Mit menschlichen Leberenzymen, die im Reagenzglas von Mikroorganismen gezüchtet werden, kann der Abbau von medizinischen Wirkstoffen im Körper weltweit zum ersten Mal verlässlich simuliert werden. Die Projektpartner setzen das neue Verfahren tatsächlich bereits ein. Früher mussten in vielen Tests die Nebenwirkungen von Abbauprodukten der Medikamente ermittelt und einzeln auf ihre Effekte geprüft werden. Weil die Prognosen jedoch nicht immer exakt sein konnten, informierten die Gebrauchsanweisungen sicherheitshalber präventiv über ein ganzes Bündel potenzieller Nebenwirkungen. Nun sind die Vorhersagen um ein Vielfaches präziser.

Ein wichtiger Treiber für die industrielle Enzymforschung waren die jüngsten Ölkrisen und die daraus resultierende Suche nach alternativen Treibstoffen. Für die Biotreibstoffe der nächsten Generation wird mit Hochdruck an den besten Biokatalysatoren geforscht, die aus Holzabfällen, Stroh und besonders genügsamen Energiepflanzen erzeugt werden. "Hier eignen sich die Enzyme aus dem Pilz Trichoderma reesei am besten, der auf verfaulendem Holz wächst“, erklärt Glieder. Stück für Stück zerlegt der Enzymcocktail die langen Zelluloseketten in Zuckermoleküle. Der Zucker dient anschließend zur Biospritproduktion. An der TU Graz werden neue Enzymmischungen unter der Leitung von Bernd Nidetzky optimiert und mithilfe der Hefe Pichia pastoris weiter verbessert, um die "molekularen Häcksler“ noch robuster zu machen. Mit dieser Technologie werden schon in den nächsten Jahren große Mengen Treibstoff sehr klimaschonend und kostengünstig erzeugt werden. Allein in Europa fallen rund 450 Millionen Tonnen Weizenstroh pro Jahr an, wovon rund 70 Prozent genützt werden könnten, was rund 22 Millionen Litern Bioethanol entspricht. Zum Vergleich: Österreich verbraucht knapp zehn Millionen Liter Treibstoff im Jahr. Mit dem Biotreibstoff der nächsten Generation könnte zudem der CO2-Ausstoß um rund 90 Prozent reduziert werden.

Das für die Erderwärmung verantwortliche Klimagas Kohlendioxid ist für die Biochemiker seinerseits ein bedeutender Rohstoff, mit dem sich wertvolle Moleküle etwa für die Medizin synthetisieren lassen. Mittels Biokatalysatoren - hier kommt das auf CO2 spezialisierte Enzym Decarboxylase zum Einsatz - können beispielsweise Salicylsäure, eine Vorstufe zu Aspirin, und viele weitere, chemisch schwierig oder gar nicht synthetisierbare Stoffe für die Medizin oder chemische Industrie erzeugt werden.

Die ersten Erfolge der Enzymforschung haben die junge Disziplin international stark wachsen lassen. Viele Projekte in der industriellen und medizinischen Enzymforschung laufen im britischen Manchester Institute of Biotechnology, an der Eliteuniverität Caltech und am deutschen Max Planck-Institut für biophysikalische Medizin, das etwa an sogenannten Pro-Drugs forscht, Vorstufen zu medizinischen Wirkstoffen, die direkt im Körper aktiv werden.

Einiges bewirken nun auch Schwerpunkte wie das EU-Programm "Innovative Medizin Initiative“, das seit 2007 mit einem Budget von zwei Milliarden Euro effizientere und umweltfreundliche Medikamente realisieren soll. Der Mitteleinsatz soll sich auf lange Sicht bezahlt machen: Die Herstellung von medizinischen Wirkstoffen war stets mit dem Verschleiß großer Mengen an Rohstoffen, hohem Energieeinsatz sowie einem beachtlichen Volumen an Abfällen verbunden. Da stellt die Biokatalyse eine deutlich umweltfreundlichere und effizientere Alternative dar. Im aktuellen Projekt CHEM 21 (Chemische Produktionsmethoden für die Pharmaindustrie des 21. Jahrhunderts) leitet das österreichische Kompetenzzentrum acib den Forschungsbereich "Synthetische Biologie“. Mit 26,4 Millionen Euro Budget ist CHEM 21 eines der größten partnerschaftlichen EU-Projekte.

"Mit der synthetischen Biotechnologie lassen sich mithilfe von Mikroorganismen komplexe Wirkstoffe herstellen, die bisher aufwendig in kleinen Mengen etwa aus Pflanzen gewonnen werden mussten und vielfach in der benötigten Form gar nicht herstellbar waren“, erklärt Forschungsleiter Glieder. Das erste Medikament auf Basis der Synthetischen Biologie heißt Artemisinin und gilt als hochwirksam gegen Malaria. Bislang konnte es nur aus Beifuß gewonnen werden. Nun wird in Bulgarien Artemisininsäure mittels Fermentation gewonnen, mit der in einer neuen Produktionsstätte in Italien pro Jahr 50 bis 60 Tonnen des Malariamedikaments erzeugt werden. Die Projektpartner haben sich dabei zu einem Produktionsmodell ohne Gewinnorientierung verpflichtet.

Die Synthetische Biologie wird zum einen als einer der zukunftsträchtigsten Bereiche der Biotechnologie erachtet, löst zum anderen aber auch heftige ethische Diskussionen aus, da im Grunde neue Lebewesen geschaffen werden. "Bislang wurde nur versucht, die Natur nachzustellen“, erläutert Glieder. "Weil wir die Enzyme verschiedener Organismen nun einzeln zur Verfügung haben, können wir sie aber völlig neu zusammensetzen und so neue biochemische Stoffwechselwege am Computer planen und dann in den Mikroorganismen zur Funktion bringen.“ Und zwar auch solche, welche die Natur bisher nicht benötigte. Eine Hefezelle könnte aus Zucker gleich direkt ein hochkomplexes chemisches Endprodukt erzeugen. Derzeit wird etwa versucht, mit Enzymkombinationen zu arbeiten, um aus Zuckermolekülen gleich direkt Biokunststoffe zu entwickeln. Diese Fähigkeit, Substanzen ohne aufwendige Umwege und mit geringem Energieeinsatz umzuwandeln, birgt trotz aller Debatten gewaltiges Potenzial - und lässt die klassische Chemie ziemlich alt aussehen.