Mit Enzymen gefüllte Durchflussreaktoren können bestimmte Chemikalien auf schonende und schonende Weise produzieren. Allerdings war ihre Leistung bisher begrenzt. Einem Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Hereon und der RWTH Aachen gelang es nun, den Ertrag um das Tausendfache zu steigern.
Mithilfe einer maßgeschneiderten Nanomembran ist es ihnen gelungen, die umzuwandelnden Moleküle in viel engeren Kontakt mit den Enzymen zu bringen und so die Reaktionsgeschwindigkeit drastisch zu steigern. Das neue Verfahren könnte unter anderem für die nachhaltige Produktion von Phosphat genutzt werden. Die Arbeitsgruppe stellt ihre vor Ergebnisse im Tagebuch Naturkommunikation.
Enzyme sind Biokatalysatoren, mit denen sich Chemikalien umweltfreundlich und energiesparend herstellen lassen. Der Prozess macht es jedoch nicht immer einfach, sie effizient zu nutzen. Eines der Konzepte sind Durchflussreaktoren. Sie bestehen aus kleinen Kanälen, an deren Wänden die Enzyme haften. Fließt eine Lösung durch diese Kanäle, können die in der Lösung enthaltenen Moleküle an die Biokatalysatoren andocken, um mit deren Hilfe zum gewünschten Produkt zu reagieren.
Bisher funktionieren diese Reaktoren nicht optimal, da sie meist über millimetergroße Kanäle verfügen – die Enzyme hingegen sind nanometergroß. Dadurch kommen viele der durchströmenden Moleküle gar nicht erst mit den Biokatalysatoren in Kontakt und haben somit keine Möglichkeit zu einer chemischen Reaktion.
Stoßdämpfer für Enzyme
Um dieses Problem zu lösen, nutzte die Arbeitsgruppe eine spezielle Membran, die am Helmholtz-Zentrum Hereon in Geesthacht entwickelt wurde. „Diese Membran entsteht durch die Selbstorganisation sogenannter Blockcopolymere“, erklärt Dr. Volker Abetz, Leiter des Hereon-Instituts für Membranforschung und Professor für Physikalische Chemie an der Universität Hamburg. „Ihre Oberfläche weist eine hohe Dichte gleichgroßer zylindrischer Poren auf.“ Diese sind winzig und haben einen Durchmesser von nur 50 Nanometern. Unter der Oberfläche befindet sich eine offenere poröse Struktur aus demselben Blockcopolymer.
Die Wissenschaftler nutzten ein speziell entwickeltes Helfermolekül – eine Art Klebepeptid –, um diese Porenwände mit Enzymen zu versehen. „Es bindet mit der einen Seite an die Porenwand und mit der anderen an das Enzym“, erklärt Dr. Ulrich Schwaneberg, Professor für Biotechnologie an der RWTH Aachen und Mitglied der wissenschaftlichen Leitung des Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien. „Das Peptid fungiert als eine Art Stoßdämpfer, der das Enzym jederzeit in einem gewissen Abstand zur Porenwand hält.“
Für ihren Prototyp verwendete das Team ein Enzym namens Phytase. Es bewirkt den Abbau von Phytat, einer phosphorhaltigen Verbindung, die unter anderem in Getreide vorkommt. In der Praxis wird das Enzym Phytase beispielsweise Tierfutter zugesetzt. Dadurch wird die Freisetzung von biogenem Phosphat gefördert, das dann als nachhaltiger Dünger genutzt werden kann.
Erfolgreicher Härtetest
„Der Prototyp unseres Strömungsreaktors ist relativ einfach aufgebaut“, sagt Hereon-Forscher Dr. Zhenzhen Zhang. „Die Membran hat etwa die Größe eines Blattes Papier und verfügt über ein System, das es der Phytatlösung ermöglicht, durch die Membran zu fließen.“
Dadurch konnten aufgrund der engen, dicht mit Enzymen gefüllten Poren etwa tausendmal mehr Phytatmoleküle in Phosphat umgewandelt werden als in den bisherigen Durchflussreaktoren – eine bemerkenswerte Ausbeute. Nützlich war auch, dass die Membranporen elektrisch positiv geladen waren und die Phytatmoleküle negativ geladen waren. Die dadurch entstehenden Anziehungskräfte trugen auch dazu bei, die Moleküle mit den Enzymen in Kontakt zu bringen.
„Wir haben die Membran 30 Tage lang getestet und sie hat kaum an Effizienz verloren“, sagt Zhang. „Es sollte sicherlich möglich sein, unseren Reaktor auf einen industriellen Maßstab zu bringen.“ Da mit dem Hereon-Verfahren auch Membranen mit kleineren oder größeren Poren hergestellt werden können, soll es möglich sein, den Reaktor auch mit anderen Enzymen auszustatten, die dann andere chemische Reaktionen beschleunigen können.
Allerdings sind noch offene Fragen zu klären. „Wir haben noch nicht im Detail verstanden, wie die Membranstrukturen entstehen“, erklärt Abetz. „Wenn uns das gelingt, hoffen wir, die zylindrischen Poren in der Membran viel gezielter als bisher herstellen zu können.“
Mehr Informationen:
Zhenzhen Zhang et al., Ein enzymatischer Durchflussreaktor basierend auf einer nano- und isoporösen Blockcopolymermembran mit passender Porengröße, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47007-y