Der Kupfer-Katalysator, der chemische Teil des künftigen Metalloenzyms, wird getestet, und zwar in einer Lösung zyklischer Alkene. Die Reaktion startet unter UV-Licht.

Der Kupfer-Katalysator, der chemische Teil des künftigen Metalloenzyms, wird getestet, und zwar in einer Lösung zyklischer Alkene. Die Reaktion startet unter UV-Licht.

Das Beste aus zwei Welten

Publiziert

Enzym und Metall kombiniert für künftige Katalysatoren.

Als Biokatalysatoren bewältigen Enzyme den Stoffwechsel aller Lebewesen. Sie tun dies äusserst präzise, denn schon eine einzige falsch umgesetzte Substanz könnte fatale Folgen für den Organismus haben. Diese selektive Vorgehensweise von Enzymen und ganz allgemein von Proteinen nutzen Nachwuchsforscher vom Leibniz-WissenschaftsCampus ComBioCat, um Katalysatoren der Zukunft zu entwickeln: sogenannte künstliche Metalloenzyme. Kombinationen aus Bio- und chemischen Katalysatoren sollen künftig komplexe Moleküle z.B. für die Pharmazie zielsicher und zuverlässig designen.

Am Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock, LIKAT, ist Doktorand Paul Hünemörder im Rahmen des WissenschaftsCampus ComBioCat gerade dabei, einen Kupfer-Katalysator mit einem Enzym bzw. Protein zu verknüpfen. Der neue Katalysator soll gewissermassen „das Beste aus zwei Welten“ vereinen, erläutert er. „Chemische Katalysatoren arbeiten schnell und erzeugen hohe Ausbeuten, leider dabei auch unerwünschte Nebenprodukte.“ Das passiere Biomolekülen nicht, weil sie „höchst selektiv vorgehen“.

Die Entwicklung von Metalloenzymen ist ein neues Forschungsfeld der Chemie. Am LIKAT laufen die Arbeiten in der Forschungsgruppe von Esteban Mejìa, Doktorvater von Paul Hünemörder. „Die Kunst besteht darin, auf der molekularen Ebene Anschlussstellen zu finden, an denen sich Protein und Metall verknüpfen lassen“, erläutert Esteban Mejìa. Industriell sind noch keine künstlichen Metalloenzyme im Einsatz. Es scheiterte nach den Worten von Mejìa und Hünemörder bisher auch daran, dass die Proteine dazu modifiziert, d.h. gentechnisch verändert werden müssen.“ Damit seien sie zu teuer, um sie breit zu nutzen.

Enzym aus der Natur

Auf der chemischen Seite entschied sich Paul Hünemörder für Kupfer als reaktives Zentrum. Die Suche nach einem geeigneten Enzym oblag Biochemikern der Universität Greifswald. Ihre Wahl fiel auf ein Protein namens Lactococcus Multidrug Resistance Regulator, kurz: LmrR. Als Protein bewirkt es in Milchsäurebakterien Antibiotikaresistenzen. Sein Vorteil: Es lässt sich so verwenden, wie es in der Natur vorkommt, und braucht nicht gentechnisch verändert zu werden.

Proteine erlangen ihre Wirkung vor allem durch ihre komplexe Faltung, ihre Protein-Struktur. Bei LmrR entsteht dadurch eine flache Tasche, „eine Art Schlitz“, wie Paul Hünemörder sagt. Das brachte ihn auf die Idee, den synthetischen Teil des Katalysators mit jeweils einem Kupfer-Atom im Zentrum wie eine Münze in diesen Schlitz zu versenken und auf diese Weise mit dem Protein zu verbinden.

Korsett für das Kupfer-Atom

Voraussetzung ist eine Art Korsett für das Kupfer-Atom, ein Katalysator-Gerüst, in der Fachsprache Ligand. Die Suche nach einer geeigneten Substanz gestaltete sich nach Paul Hünemörders Worten recht schwierig. Einzig Terpyridin eignete sich, ein sogenannter Pincer-Ligand, der so heisst, weil er dank seiner Form den Katalysator gewissermassen in die Zange (engl.: Pincer) nimmt.

„Das Wichtigste aber ist, dass dieser Ligand dem Kupfer-System eine sehr flache Struktur verleiht“, sagt Paul Hünemörder. „Womit der Katalysator perfekt in den ‚Schlitz‘ des Enzyms passt.“ Nach ersten Tests scheint das auch zu funktionieren. Das Metalloenzym, das in diesem Falle strenggenommen ein „Metalloprotein“ ist, soll künftig sogenannte zyklische Alkene zu Vor- und Zwischenprodukten für Pharmazeutika umwandeln. Welchen Vorteil bringt es dort?

Bild und Spiegelbild

Zyklische Alkene existieren von der Struktur her oftmals linkshändig und rechtshändig, vorstellbar wie Bild und Spiegelbild. In der Natur sorgen die Enzyme mit ihrer hochpräzisen katalytischen Wirkung, dass nur eine, und zwar die „echte“, Variante entsteht. Bei einer chemischen Synthese hingegen können beide Varianten erzeugt werden. Chemisch sind sie völlig identisch, doch in ihrer physiologischen Wirkung unterscheiden sie sich mitunter dramatisch.

Das Schmerzmittel Contergan verursachte in den 50er Jahren schwere Missbildungen an ungeborenen Kindern, weil es im Organismus der Schwangeren die Bildung einer spiegelbildlichen Molekülvariante bewirkte. Industriell müssen also solche Endprodukte bisweilen aufwändig getrennt werden, damit die gewünschte Molekül-Variante zum Einsatz kommt.

Genau dies würde durch die Verwendung eines künstlichen Metalloenzyms entfallen. Ziel der Arbeiten in Rostock und Greifswald ist es, dass die selektive Arbeitsweise des Proteins LmrR einzig die gewünschte Form an Zwischenprodukten hervorbringt. Chemiker bezeichnen diese Reaktion deshalb als asymmetrisch.

Mechanismusforschung

Das Kupfer-Zentrum im Katalysator erledigt seine Arbeit inzwischen „schnell und verlässlich“, wie Paul Hünemörder mit seiner studentischen Forschungsgruppe im Labor nachweisen konnte. Nun heisst es zu beweisen, dass auch der Protein-Teil des neuen Katalysators funktioniert, d.h. die „Händigkeit“ der Ausgangsstoffe erkennt und nur die „richtige“ Variante reagieren lässt. Mit einem Ergebnis rechnet Paul Hünemörder im Herbst.

Die Forscher sind überzeugt davon, dass künstliche Metalloenzyme künftig der Chemieindustrie einen entscheidenden Vorteil verschaffen werden. Und auch theoretisch sind die Arbeiten ein Gewinn. In Analysen zum Reaktionsmechanismus identifizierten die jungen Chemiker eine Zwischenstufe, die sich als essentiell für den chemischen Prozess erwies, aber in der Fachliteratur bisher keine Rolle spielte. Die Erkenntnisse können helfen, das Reaktionsprinzip auf andere Substanzklassen zu übertragen.

EVENTS

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 24.-26. März 2026

Ort: Stuttgart (D)

analytica

Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 24.-27. März 2026

Ort: München (D)

Trendtage Gesundheit Luzern

Veranstaltung für aktuelle Trends und Perspektiven im Gesundheitswesen

Datum: 25.-26. März 2026

Ort: Luzern (CH)

Global Industrie

Messe für den gesamten industriellen Sektor in Frankreich und darüber hinaus

Datum: 30. März-02. April 2026

Ort: Paris (F)

PaintExpo

Weltleitmesse für industrielle Lackiertechnik

Datum: 14.-17. April 2026

Ort: Karlsruhe (D)

LogiPharma 4.0

Veranstaltung für die Pharmalogistik und die Lieferketten in der Pharmaindustrie

Datum: 14.-16. April 2026

Ort: Wien (CH)

Hannover Messe

International Messe für alle Technologien rund um die industrielle Transformation

Datum: 20.-24. April 2026

Ort: Hannover (D)

Techtextil

Internationale Leitmesse für technische Textilien und Vliesstoffe

Datum: 21.-24. April 2026

Ort: Frankfurt am Main (D)

Siams

Fachmesse für Mikrotechnik

Datum: 21.-24. April 2026

Ort: Moutier (CH)

Swiss Biotech Day

Internationale Konferenz für die Biotechnologiebranche

Datum: 4.-5. Mai 2026

Ort: Basel (CH)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 4.-7. Mai 2026

Ort: München (D)

London Lab Live

Fachmesse und Konferenz für die Zukunft von Laboren

Datum: 6.-7. Mai 2026

Ort: London (GB)

interpack

Internationale Fachmesse für die Verpackungsindustrie und die zugehörige Prozessindustrie

Datum: 7.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 9.-11. Juni 2026

Ort: Nürnberg (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 20.-21. Mai 2026

Ort: Zürich (CH)

The Pharma Days

Veranstaltung für Zusammenarbeit, Innovation und Geschäftswachstum in der pharmazeutischen Industrie

Datum: 27.-28. Mai 2026

Ort: Genf (CH)

Swissmem Industrietag

Konferenz für die Berufsbildung in der Schweizer Tech-Industrie

Datum: 23. Juni 2026

Ort: Bern (CH)

CosmeticBusiness

Internationale Fachmesse für die Kosmetik-Zulieferindustrie

Datum: 10.-11. Juni 2026

Ort: München (D)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 10.-12. Juni 2026

Ort: Genf (CH)

GS1 Excellence Days

Konferenz für Innovationen und Lösungen im Bereich der Standardisierung, Identifikation und Geschäftsprozesse

Datum: 18. Juni 2026

Ort: Bern (CH)

FILTECH

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 30. Juni-02. Juli 2026

Ort: Köln (D)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 26.-27. August 2026

Ort: Zürich (CH)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 26.-27. August 2026

Ort: Zürich (CH)

Swiss Green Economy Symposium

Konferenz zum Thema Wirtschaft und Nachhaltigkeit in der Schweiz

Datum: 2.-4. September 2026

Ort: Winterthur (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 23.-24. September 2026

Ort: Basel (CH)

Ilmac Lausanne

Fachmesse und Branchentreff für die Chemie- und Life-Science-Industrie in der Westschweiz

Datum: 23.-24. September 2026

Ort: Lausanne (CH)

POWTECH

Internationale Fachmesse für Technologien zur Verarbeitung von Pulvern, Feststoffen und Flüssigkeiten

Datum: 29. September -1.Oktober 2026

Ort: Nürnberg (D)

W3+ Fair Jena

Events für Hightech-Innovationen aus den Schlüsseltechnologien Optik, Photonik, Elektronik und Mechanik

Datum: 23.-24. September 2026

Ort: Jena (D)

Rehacare

Internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege

Datum: 23.-26. September 2026

Ort: Düsseldorf (D)

VISION

Weltleitmesse für industrielle Bildverarbeitung

Datum: 6.-8. Oktober 2026

Ort: Stuttgart (D)

IFAS

Internationale Fachmesse für den Schweizer Gesundheitssektor

Datum: 20.-22. Oktober 2026

Ort: Zürich (CH)

CPHI

Weltweit führende Messe für die pharmazeutische Industrie

Datum: 6.-8. Oktober 2026

Ort: Frankfurt (D)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 10.-13. November 2026

Ort: München (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: November 2026

Ort: München (D)

AUTOMA+

Kongress für die Pharmaindustrie mit Konzentration auf die digitale Transformation und Automatisierung

Datum: 16.-17. November 2026

Ort: Zürich (CH)

ALL4PACK EMBALLAGE

Leitmesse für die Verpackungs- und Intralogistikbranche

Datum: 24.-26. November 2026

Ort: Paris (F)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 1.-3. Dezember 2026

Ort: Düsseldorf (D)

Empack Schweiz

Schweizer Fachmesse für Verpackungslösungen und -technologien

Datum: 27.-28. Januar 2027

Ort: Zürich (CH)

Logistics & Automation

Fachmesse für Intralogistik, Distribution, Transport und E-Logistik in der Schweiz

Datum: 27.-28. Januar 2027

Ort: Zürich (CH)

LABVOLUTION

Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflow.

Datum: Mai 2027

Ort: Hannover (D)

Achema

Weltleitmesse für Prozessindustrie

Datum: 14.-18. Juni 2027

Ort: Frankfurt am Main (D)

Automatica

Weltleitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 22.-25. Juni 2027

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 22.-25. Juni 2027

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 31. August- 2. September 2027

Ort: Bern (CH)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 21.-24. September 2027

Ort: Berlin (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 21.-23. September 2027

Ort: Nürnberg (D)

A + A

Weltleitmesse für sicheres und gesundes Arbeiten

Datum: 19.-22. Okotber 2027

Ort: Düsseldorf (D)

transport-CH

Schweizer Fachmesse für Nutzfahrzeuge und Automobil-Werkstattbedarf

Datum: 10.-13. November 2027

Ort: Bern (CH)

AQUA Suisse

Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement

Datum: 1.-2.Dezember 2027

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 1.-2. Dezember 2027

Ort: Zürich (CH)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 9.-17. Mai 2028

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis