Forscher demonstrieren einen Enzym-MOF-Durchflussreaktor

Enzyme gelten als wahre Multifunktionstalente. Sie beschleunigen als Katalysatoren viele chemische Reaktionen. In Organismen sind sie an lebenswichtigen Prozessen beteiligt. In Technik und Industrie können sie als Werkzeuge der Weißen Biotechnologie eingesetzt werden und helfen, Energie und Ressourcen einzusparen. Enzyme in Waschmitteln beispielsweise lösen Schmutz bereits bei niedrigen Temperaturen. Enzyme werden auch in der Umwelttechnik, der Lebensmittelverarbeitung, der Arzneimittelherstellung, der medizinischen Diagnostik und vielen anderen Branchen eingesetzt.

Enzyme repräsentieren meist Proteine. Um das Potenzial dieser riesigen Moleküle in der sogenannten zellfreien Biotechnologie zu nutzen, müssen sie stabilisiert und in effiziente Reaktorsysteme integriert werden. In wässrigen Lösungsmitteln ist dies schon oft gelungen. In organischen Lösungsmitteln kommt es dagegen zu einer Destabilisierung oder Denaturierung und katalytische Eigenschaften gehen verloren.

Forschern des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG), des Instituts für Nanotechnologie und des Instituts für Biologische Grenzflächen 1 – Biomolekulare Mikro- und Nanostrukturen des KIT ist es nun gelungen, Enzyme so zu stabilisieren, dass sie sowohl in wässrigen als auch in organischen Lösungsmitteln eingesetzt werden können. Zum ersten Mal demonstrierten sie ein kontinuierliches Enzymreaktorsystem mit hoher Produktivität und Stabilität. Darüber wird im Tagebuch berichtet Angewandte Chemie.

MOFs erleichtern die Trennung von Katalysatoren und Produkten

Das innovative Reaktorsystem basiert auf metallorganischen Gerüsten (MOFs). Diese bestehen aus metallischen Knoten und organischen Pleueln und haben kristalline Strukturen mit definierten Porengrößen. Durch die Verwendung verschiedener Kombinationen von Metallbausteinen und organischen Liganden sowie verschiedener Porengrößen können MOFs für verschiedene Anwendungen angepasst werden. Bei zellfreier Anwendung wirken Enzyme wie Käfige. „Wir sorgen dafür, dass die Enzyme einzeln in die Poren der MOFs diffundieren, also freiwillig in den Käfig gelangen“, sagt Professor Christof Wöll, Leiter des IFG. „Die MOFs wirken wie ein Panzer und schützen die empfindlichen Biomoleküle vor Denaturierung.“ Dank der Porosität der MOFs lässt sich der Transport von Edukten, also der bei den Reaktionen verbrauchten Stoffe und entstehenden Produkte, besser kontrollieren. Darüber hinaus erleichtern MOFs die komplexe Trennung von Katalysator und Produkten, sagt Professor Matthias Franzreb, stellvertretender Leiter des IFG und Mitautor der Studie.

Forscher des KIT demonstrierten die zeit- und kosteneffiziente Herstellung eines Enzym-MOF-Durchflussreaktors. Die Stabilität des immobilisierten Enzyms war etwa das 30-fache der des freien Enzyms. Die katalytische Aktivität erreichte etwa 30 Prozent der eines freien Enzyms – ein ziemlich hoher Wert angesichts der Deformation des in die MOF-Poren eingebetteten Enzyms.