Der Nachbau von Enzymen soll dafür sorgen, dass die chemische Industrie nicht erneuerbare Kohlenwasserstoff-Ressourcen künftig effizienter und energiesparender als bisher verarbeitet. Acht Professor*innen aus ganz Deutschland bringen dafür ihre Expertise zusammen. Sie kooperieren in der Forschungsgruppe „Bioinspirierte Oxidationskatalyse mit Eisenkomplexen“ (BioOxCat). Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert die Gruppe über vier Jahre mit rund 3,3 Millionen Euro. Sprecher von BioOxCat ist Professor Dr. Thorsten Glaser von der Fakultät für Chemie der Universität Bielefeld. Die Forschungsgruppe soll aufschlüsseln, wie Eisenverbindungen, hergestellt nach dem Vorbild von natürlichen Enzymen, chemische Reaktionen antreiben. Die Forschungsgruppe nimmt im Juli 2022 ihre Arbeit auf.
„Ein Großteil dessen, was in der chemischen Industrie hergestellt wird, wird aus Erdöl, Erdgas und Kohle gemacht. Wir dürfen diese fossilen Rohstoffe nicht für die Energiegewinnung verschwenden“, sagt der künftige Forschungsgruppensprecher Professor Dr. Thorsten Glaser. „Wir brauchen diese begrenzt verfügbaren Rohstoffe vielmehr für die Herstellung von Arzneimitteln, Baustoffen oder Kunststoffen. Mit den Ergebnissen unserer Forschungsgruppe möchten wir für die chemische Industrie energiesparende Verfahren etablieren, um die Herstellung von Grundstoffen zu unterstützen“, so Glaser.
© Universität Bielefeld/S. Jonek
Effizienz der nachgebauten Eisenverbindungen steigern
In der Natur sorgen Enzyme dafür, dass chemische Reaktionen in bakteriellen, pflanzlichen und tierischen Zellen beschleunigt werden. Sie dienen als Katalysatoren – als Antreiber – der Reaktionen. Die Mitglieder der Forschungsgruppe wollen sich die Prinzipien von Enzymen zunutze machen. Ihre Arbeiten basieren auf vorausgegangenen Studien, die zeigten, wie insbesondere Enzyme mit Eisen bei der durch diese Enzyme angetriebene Reaktionen (der Katalyse) funktionieren. Glaser und seine Kolleg*innen konnten Eisenverbindungen nach dem Vorbild dieser Enzyme nachbauen. Bisher funktionieren die nachgebauten Eisenverbindungen als Katalysatoren nicht so gut wie das Original. „Wir konnten noch nicht klären, wie sich die Wirkung optimieren lässt“, sagt Glaser. Die Forschungsgruppe soll herausfinden, warum die Funktionalität der nachgebauten Eisenverbindungen derzeit nicht so effizient ist wie in der Natur.
Nachbau der Eisenenzyme für industrielle Nutzung optimieren
„Erst wenn wir verstanden haben, woran es liegt, dass die nach dem Vorbild der Natur hergestellten Eisenverbindungen nicht so gut funktionieren, können wir ihre Herstellung rational optimieren“, sagt Glaser. „Dafür ist der interdisziplinäre Ansatz notwendig, den wir in der Forschungsgruppe aufgrund der acht unterschiedlichen Expertisen haben. Am Ende der Forschungszeit wollen wir soweit sein, dass wir Prozesse entwickelt haben, die so einfach sind, dass sie sich für die Industrie eignen.“ Eine erste Vermutung Glasers, warum die nachgebauten Eisenverbindungen noch nicht so gut sind wie die aus der Natur: „Es liegt unter anderem daran, dass die Moleküle noch zu einfach gebaut sind, aber ich bin mir sicher, dass die interdisziplinäre Forschungsgruppe die Details dazu ergründen wird.“
Die Katalyse ist eine grundlegende Funktion in der chemischen Industrie. Um zum Beispiel aus Methan Vorstufen für die Produktion herzustellen – etwa Methanol oder Formaldehyd – sind Enzyme oder andere Katalysatoren notwendig. Die Katalysatoren sorgen dafür, dass weniger Energie, weniger Wärme oder weniger hoher Druck aufgebracht werden muss, um ein Produkt herzustellen. „Der betriebswirtschaftliche Vorteil für die Industrie geht hier einher mit einem gesellschaftlichen Gewinn“, sagt Glaser. „Denn geringerer Energieaufwand bedeutet weniger Verschwendung von Energieressourcen.“
„Jeder Prozess in der Industrie soll möglichst katalytisch gefahren werden. Das Problem ist jedoch, dass es bisher nicht für alle Prozesse genügend gute Katalysatoren gibt“, erklärt Thorsten Glaser. „Insbesondere für schwierige Reaktionen hat die Industrie noch keine effizient genug arbeitenden Katalysatoren gefunden. Die Natur verwendet für komplexe Reaktionen immer Enzyme mit Metallen – die Metalloenzyme. In der Natur ist häufig Eisen ein grundlegender Baustein im aktiven Zentrum dieser Enzyme. Deswegen ahmen wir in unserer Forschung die Katalyse von Eisen-Enzymen nach.“
Teilprojekt schlüsselt auf, wie Enzym Methan umwandelt
In seinem Teilprojekt in der DFG-Forschungsgruppe befasst sich Glaser mit dem Enzym MethanMonooxygenase. In speziellen Bakterien treibt dieses Enzym die Reaktion von Methan und Sauerstoff zu Methanol an. Die Methan-Monooxygenase besitzt zwei Eisenzentren. Daran bindet sich der Sauerstoff und wird aktiviert. So entsteht schließlich ein Zwischenprodukt, das mit Methan zu Methanol reagiert, während die Eisenzentren in ihren ursprünglichen Zustand zurückgelangen und der Zyklus von vorne beginnt. Es ist Glaser und seinem Team bereits gelungen, dieses Enzym nachzubauen, nun gilt es, es so zu optimieren, dass es bei Herstellungsprozessen in der Industrie zum Einsatz kommen kann.
Forschung soll helfen, Rohstoffe in Chemikalien-Herstellung effizienter zu nutzen
Alle Mitglieder der Forschungsgruppe beschäftigen sich mit Eisenkomplexen nach dem Vorbild der Natur, jedoch mit unterschiedlichen Schwerpunkten. So untersucht Professorin Dr. Lena Daumann von der Ludwig-Maximilians-Universität München ein funktionelles Modell für ein Enzym, das DNA verändern kann und so Gene an- und ausschaltet. Professor Dr. Christian Limberg von der Humboldt-Universität zu Berlin modelliert Eisenenzyme, die Schwefel oxidieren – das ist ein wichtiger Schritt für die Herstellung von Arzneimitteln. Die Forschungsgruppe soll auf zwei Ebenen einen Beitrag für Industrie und Gesellschaft leisten: effizientere Nutzung von Rohstoffen in der Herstellung von Basis- und Feinchemikalien sowie Steigerung der Energieeffizienz dieser Herstellungsabläufe.
Professor Glaser gehört als einziger Wissenschaftler der Universität Bielefeld zu der Forschungsgruppe. Die weiteren Mitglieder der Gruppe sind: Professor Dr. Peter Comba der Ruprecht-Karls Universität Heidelberg, Professorin Dr. Lena Daumann von der Ludwig-Maximilians-Universität München, Professorin Dr. Serena DeBeer vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr, Professorin Dr. Ivana Ivanović-Burmazović von der Ludwig-Maximilians-Universität München, Professor Dr. Christian Limberg von der Humboldt Universität Berlin und Professor Dr. Frank Neese vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Forschungsgruppe BioOxCat zunächst
für vier Jahre. Die Förderung kann um weitere vier Jahre verlängert werden. Von den 3,3 Millionen Euro Gesamtförderung gehen rund 880.000 Euro an die Universität Bielefeld. Gemäß der Entscheidung des DFG-Hauptausschusses Ende März richtet die DFG neun neue Forschungsgruppen ein. Forschungsgruppen ermöglichen Wissenschaftler*innen, sich aktuellen und drängenden Fragen ihrer Fachgebiete zu widmen und innovative Arbeitsrichtungen zu etablieren. Wissenschaftler*innen der Universität Bielefeld koordinieren künftig drei DFGForschungsgruppen (inklusive der neuen Gruppen), an drei weiteren Forschungsgruppen sind Wissenschaftler*innen der Universität beteiligt.
