Nachhaltige Düfte vom Berg der Götter mittels Biokatalyse

Die ETH-​Chemikerin Freideriki Michailidou entwickelt neue Verfahren, um Duftstoffe nachhaltig zu produzieren. Dabei untersucht sie die Düfte seltener aromatischer Pflanzen, die nur am Olymp in Griechenland wachsen.

Der Geruch eines Produktes beeinflusst unsere Wahrnehmung davon. Es ist daher nicht überraschend, dass Duftstoffe ein fixer Bestandteil in über 25 Produktkategorien sind – von Kosmetika wie Parfums, Cremes oder Deodorants bis hin zu Haushaltsprodukten wie Wasch-​ oder Reinigungsmitteln. Der weltweite Markt für Duftstoffe beläuft sich auf über acht Milliarden US-​Dollar.

Die allermeisten der rund 3’000 existierenden Duftstoffe werden aber nicht nachhaltig produziert. Sie beruhen auf fossilen Rohstoffen und erfordern meist energieintensive Verfahren zur Herstellung. In einigen Fällen kommen auch Inhaltsstoffe zum Einsatz, die aus seltenen Pflanzen oder gefährdeten Tieren gewonnen werden.

Geht es nach Freideriki Michailidou soll sich dies bald ändern. Die Griechin forscht und lehrt am Laboratorium für Toxikologie von ETH-​Professorin Shana Sturla und war bis vor kurzem Stipendiatin am Collegium Helveticum. Mittels modernster biochemischer Techniken will sie neue und vor allem nachhaltige Duftstoffe aus natürlichen und wiederverwertbaren Rohstoffen gewinnen.

Dabei kombiniert die 31-​Jährige ihre Leidenschaft für Parfums, die sie in ihrer Freizeit selbst aus ätherischen Ölen herstellt, mit ihrem wissenschaftlichen Interesse für grüne Chemie: «Ich kann und will mir ein Leben ohne Parfums nicht vorstellen. Doch sie sollten in Zukunft umweltschonend produziert werden.»

Frühe Begeisterung für die Naturwissenschaft
Freideriki Michailidou, von Freunden auch Frida genannt, wächst in der nordgriechischen Stadt Ioannina auf. Bereits als neunjährige begeistert sie sich für naturwissenschaftliche Themen, spielt daheim mit dem Chemiekasten und lässt sich kaum eine Ausgabe der Zeitschrift «National Geographic» entgehen. Ihre Mutter ist Lehrerin und bestärkt sie, ihren wissenschaftlichen Interessen zu folgen. «Für mich war früh klar, dass ich Chemikerin oder Biologin werden will.»

Michailidou studiert schliesslich Chemie in Thessaloniki, Lyon und im schottischen St. Andrews, wo sie sich im Rahmen ihrer Dissertation mit der Biokatalyse beschäftigt. Dabei handelt es sich um ein neues Verfahren, bei dem Enzyme und lebende Mikroorganismen als natürliche Beschleuniger für chemische Reaktionen eingesetzt werden. «In der Natur ermöglichen Enzyme zahlreiche chemische Reaktionen. Diese Eigenschaft machen wir uns auch im Labor zu Nutze», erklärt die ETH-​Forscherin.

Die Biokatalyse ist damals in aller Munde, da Frances Arnold, George Smith und Gregory Winter 2018 den Nobelpreis in Chemie für die gerichtete Evolution von Enzymen erhalten. Viele hegen bis heute die Hoffnung, dass die chemische Industrie damit grüner werden könnte. So auch Michailidou, die nach einer kurzen Anstellung in der Industrie und einem Postdoc in Münster 2019 über ein Marie-​Curie-Stipendium an die ETH Zürich kommt. Schon damals ist ihr Ziel, mittels Biokatalyse nachhaltige und neue Duftstoffe zu produzieren.

Düfte aus seltenen Blumen
Um das Repertoire an Duftstoffen zu erweitern, nimmt die Chemikerin einen beschwerlichen Weg auf sich. Denn sie entschliesst sich, die Duftstoffe seltener Blumen zu analysieren und nachzuahmen, die nur auf dem Olymp, dem höchsten Gebirge Griechenlands, wachsen und ein einzigartiges Aroma verströmen.

Bis anhin hat noch niemand die Düfte dieser Blumen entschlüsselt. Ein Grund dafür ist, dass sie auf über 2100 Metern wachsen, unter Naturschutz stehen und daher nicht geschnitten werden dürfen. «Die Herausforderung war, die flüchtigen Duftmoleküle, mit denen normalerweise Bienen und andere Bestäuber angelockt werden, zu sammeln, ohne die Pflanzen dabei zu beschädigen», erklärt die Chemikerin.

Dafür wandert Michailidou diesen Sommer selbst auf den Olymp. Im Gepäck hat sie eine sogenannte Headspace-​​Trap, die ihr die Professur für Biokommunikation an der ETH zur Verfügung stellte. Dieses Gerät ist mit einer Glasglocke oder einem Plastikbeutel ausgestattet, die vorsichtig über die Blume gestülpt werden. Anschliessend können die Duftstoffe eingefangen und konserviert werden.

Die Tage am Olymp sind für die Forscherin etwas ganz Besonderes: «Ich habe mich gefühlt wie eine dieser klassischen Naturforscher:innen, über die ich in meiner Kindheit gelesen habe.» 

Das Versprechen der Biokatalyse
Die Moleküle entschlüsselt die Griechin dann im Labor an der ETH Zürich. Mit einem Gerät, das eine Koppelung aus einem Gaschromatographen und einem Massenspektrometer ist, ist sie in der Lage, natürliche Duftstoffe zu identifizieren, die bisher noch niemand untersucht hat. Sind die molekularen Strukturen des neuen Duftes erst einmal bekannt, können sie auch chemisch nachgeahmt werden.

Dafür entwickelt Michailidou ein Biokatalyse-​Verfahren, das natürliche und erneuerbare Rohstoffe nutzt. Im Unterschied zu vielen synthetischen Katalysatoren sind Biokatalysatoren selektiver und vor allem umweltschonender, denn sie funktionieren bereits bei niedrigen Temperaturen oder geringem Druck und brauchen weniger Energie.

«Die richtigen Enzyme machen die Produktion von Duftstoffen nicht nur sauberer und sicherer, sondern auch schneller», sagt die Chemikerin. Um diese zu finden, setzt Michailidou neben einer der natürlichen Evolution nachempfundenen Testmethode auch auf computergestütztes Proteindesign und maschinelles Lernen.

Ganz ohne Tierversuche
Die Duftstoffe, die Michailidou mittels Bioktalyse gewinnt, haben noch einen weiteren Vorteil: Um ihr allergisches Potential zu testen, sind keine Tierversuche notwendig. Denn die Substanzen werden bereits in-​vitro anhand von isolierten Hautzellen im Labor geprüft.

«Die Sicherheitsprüfung ist Teil des Designprozesses», erklärt die Chemikerin. Moleküle, die allenfalls toxisch sind oder allergische Reaktionen auslösen könnten, werden erst gar nicht verwendet.

Der Traum des eigenen Parfums
Die ETH-​Forscherin ist davon überzeugt, dass sich immer mehr biokatalytische Methoden für die industrielle Produktion eignen werden, auch für Anwendungen im Pharma-​ und Lebensmittelsektor. Doch bis es so weit ist, gibt es noch einiges zu tun, denn aktuell ist die Biokatalyse im Vergleich zu synthetischen Alternativen immer noch zu teuer.

Nichtsdestotrotz hat Michailidou keine Zweifel daran, dass es eine grosse Nachfrage nach nachhaltig produzierten Duftstoffen gibt. Um diese Vermutung zu untermauern, will sie gemeinsam mit der Forschungsgruppe für Konsumentenverhalten der ETH herausfinden, was Konsument:innen tatsächlich über natürliche Parfums und Duftstoffe denken. Abhängig von diesen Ergebnissen kann sich die Chemikerin auch vorstellen ihr eigenes Start-​up zu gründen. «Damit würde ein Traum in Erfüllung gehen.»