„Viele traditionelle chemische Katalysen sind super unnachhaltig“, nennt Krüsemann den wichtigsten – vieles stammt aus Erdöl, oftmals werden giftige Reagenzien benötigt oder es entstehen Nebenprodukte, die umwelt- oder gesundheitsgefährdend sind. Bei Arzneimitteln werden etwa viele Halogene eingesetzt, die dann im Abfall landen. Das ist nicht zuletzt ein Kostenfaktor. „Außerdem kann die Chemie nicht zwischen rechts und links unterscheiden“, betont der Biotechnologe. Damit meint er, dass in einer chemischen Synthese die spiegelbildliche Form des Zielmoleküls ebenfalls entsteht. Diese Eigenschaft bezeichnet der Chemiker als Chiralität, die Mischung beider Formen als Racemat.

Oftmals ist jedoch nur das eine der beiden sogenannten Enantiomere gewünscht, weil die andere Form keine oder womöglich sogar eine unerwünschte Wirkung hat. Ein Beispiel dafür ist der Stoff DOPA. Therapeutisch eingesetzt wird das Enantiomer L-DOPA, das unter dem Namen Levodopa bekannt ist. Es kann die Symptome der Parkinson-Krankheit lindern. Das Enantiomer D-DOPA zeigt dagegen keine vergleichbare und unmittelbare Wirkung. Doch selbst wenn die spiegelbildlichen Moleküle lediglich keinen Nutzen haben, bedeutet das: Ein relevanter Teil der Produktion kann nicht verkauft, sondern muss häufig sogar entsorgt werden.

Enzyme hingegen arbeiten spezifisch und bilden nur eine der beiden spiegelbildlichen Formen ihres Zielmoleküls. In den Zellen aller Lebewesen sind sie es, die benötigte Verbindungen herstellen, umwandeln oder wieder in deren Bausteine zerlegen. „Enzyme sind Wunderwerke der Natur“, findet Krüsemann, nur um gleich einzuschränken: „Aber sie sind nicht darauf optimiert, die Stoffumwandlung in dem Maßstab zu machen, wie wir es in der Industrie fordern.“ Das will der Forscher im Projekt G-CESE, kurz für „Growth-Coupled Enzyme Selection and Evolution“ („Wachstumsgekoppelte Selektion und Evolution von Enzymen“) ändern. Gefördert wird das Vorhaben für ein Jahr vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Programm GO-Bio.

Grundsätzlich gibt es in der Biotechnologie zwei Ansätze. Der eine ist die Ganzzell-Synthese: Eine komplette Zelle oder ein Einzeller werden mit Nährstoffen versorgt, aus denen diese mittels ihrer Enzyme bestimmte Produkte herstellen, die sie im Idealfall ausscheiden. Meist jedoch müssen die Zellen zerstört und das gewünschte Produkt aufwendig aufgereinigt werden. Damit eine Ganzzell-Synthese wirtschaftlich sein kann, müssen die Zellen so optimiert werden, dass sie ihre Rohstoffe und Energie vor allem in die Herstellung des Zielprodukts stecken. Oftmals ist es jedoch so, dass eine Zelle einen Teil eines Zwischenprodukts auch in ein Nebenprodukt umwandelt, an dem der Mensch kein Interesse hat. Außerdem darf die Optimierung lebensnotwendige Prozesse der Zelle nicht stören.

Ein weiterer Nachteil, insbesondere bei der Herstellung von Plattformchemikalien im großen Maßstab, liegt darin, dass die Produkte günstig und die Margen klein sind. „Man braucht sehr große Skalen, um mit Erdölprodukten zu konkurrieren“, erläutert Krüsemann. „Für ein Start-up ist es schwierig, 100 Millionen Euro aufzutreiben, um die nötige Fermentationskapazität aufzubauen.“ Dieser Ansatz funktioniere eher bei höherpreisigen Chemikalien, deren biotechnologische Herstellung auch in geringerem Umfang wirtschaftlich sein kann.

„Spannend“ sei die Ganzzellkatalyse dennoch, sagt Krüsemann, aber wirtschaftlicher und auf weniger Fremdkapital angewiesen sei die Enzymoptimierung. Denn Enzyme arbeiten nicht nur innerhalb ihrer Zellen. Unter den richtigen Bedingungen können Enzyme ihre Stoffumwandlung auch in vitro – also im Reagenzglas oder Bioreaktor – vollziehen. Hierbei zählt dann, in welcher Geschwindigkeit und mit welcher Effizienz ein Enzym den Ausgangsstoff umwandelt – und nicht zuletzt auch, welchen Ausgangsstoff es verwenden kann. Denn der bestimmt maßgeblich die Gesamtkosten eines Enzymprozesses.

Für diese Enzymoptimierung beherrscht die Arbeitsgruppe einen Kniff, mit dem sie zur Weltspitze gehören. Die Grundlage ist die Kraft der Natur selbst, die sogenannte gerichtete Evolution. Bei der gerichteten Evolution erzeugen Forschende viele leicht veränderte Varianten eines Enzyms, zum Beispiel durch zufällige Mutationen. Anschließend testen sie, welche Varianten die gewünschte Eigenschaft am besten zeigen – etwa schneller arbeiten, hitzestabiler sind oder ein neues Substrat umsetzen. Die besten Kandidaten werden weiter verändert und erneut die besten Mutationen ausgewählt, sodass sich das Enzym schrittweise in die gewünschte Richtung entwickelt.

Das ist so weit ein Standardprozedere. Doch Krüsemann koppelt die Evolution an das Wachstum der Bakterien, die das Enzym produzieren. „Als erstes bauen wir einen Selektionsstamm“, erläutert der Biotechnologe die Spezialität seiner Arbeitsgruppe. Dabei werden dem Bakterium gentechnisch alle Wege genommen, um beispielsweise eine bestimmte Aminosäure herzustellen. Solange diese Aminosäure zugefüttert wird, kann das Bakterium ganz normal leben. Ohne diesen Nahrungszusatz allerdings überlebt es nur, wenn es irgendwie einen neuen Weg findet, die Aminosäure selbst zu produzieren. Je besser das Bakterium gedeiht, desto effektiver dürfte das von der Evolution neu geschaffene Enzym die entsprechende Aminosäure herstellen. Im Fermentationsgefäß konkurrieren Milliarden Zellen darum, in welcher die Evolution durch Mutationen das effektivste Enzym geschaffen hat. Diese Zelle vermehrt sich am schnellsten und macht schon nach wenigen Tagen den größten Teil aller Zellen im Experiment aus. Ihr Enzym wäre ein heißer Kandidat für die industrielle Produktion der Aminosäure.

Der Fokus im Projekt G-CESE liegt allerdings nicht auf Aminosäuren, sondern auf sogenannten Cofaktoren. Gut ein Viertel aller bekannten Enzyme verwendet neben dem eigentlichen Substrat Cofaktoren wie NADH als Energiequelle. Das würde eine sehr breite Anwendung für eine Vielzahl von Produkten ermöglichen. NADH wird in der Enzymreaktion zu NAD⁺ oxidiert. Normalerweise regeneriert die Zelle in einem anderen Prozess dann NAD⁺ wieder zu NADH, eine Art Recyclingkreislauf. Krüsemann und seine Kollegen haben jedoch einen Bakterienstamm erzeugt, der diese Regeneration nicht mehr beherrscht.

Stattdessen hat das Team mithilfe von KI-basierten Simulationen mehrere Enzymkandidaten kloniert, die das gewünschte Produkt herstellen und NADH regenerieren können. Dem zuvor erzeugten Bakterienstamm setzen sie dann die nötigen Gene ein, um jeweils eines dieser Enzyme herzustellen. Am Ende treten die Stämme mit den unterschiedlichen Varianten wie zuvor geschildert gegeneinander an. „Schon über Nacht können wir dann sehen, dass sich einzelne Varianten als besonders effektiv herauskristallisieren“, sagt Krüsemann.

Wie lang aber lässt man die Evolution das Enzym weiter optimieren? „Man versucht schon, möglichst viele Zellen möglichst lange laufen zu lassen“, erläutert der Biotechnologe. Wie lange man am besten warte, erfordere auch Intuition, da man nie wisse, ob noch eine größere Verbesserung komme. Die Evolution verläuft eben manchmal sprunghaft. Gern berichtet der Forscher von den „Weihnachtswundern“: Häufiger schon hat das Team vor Weihnachten ein Experiment angesetzt und erst im neuen Jahr wieder nachgesehen, was daraus geworden ist. Oftmals sei das Resultat erstaunlich positiv gewesen. „Wir haben eine lange Liste an Weihnachtswundern“, schmunzelt Krüsemann.

In besonders guten Fällen ist es gelungen, auf diese Weise die Leistung eines Enzyms um das Tausendfache zu verbessern. „Aber bei Enzymen, die vorher schon sehr weit optimiert waren, freue ich mich natürlich schon über eine Verdopplung“, ordnet der Biotechnologe ein. „Es ist immer die Frage, von welcher Basis man startet.“

Manchmal führe die Methode sehr schnell zum Erfolg, eines anderes Mal erfordere die Optimierung eine ganze Doktorarbeit, sagt Krüsemann. „Das hängt am Enzymtyp, den man verwendet.“ Für sehr interessant hält der Forscher Monooxygenasen. Diese Enzymklasse kommt in vielen Pflanzen vor, kann eine enorme Bandbreite interessanter Prozesse katalysieren, ist aber schwer zu optimieren. Ebenfalls vielversprechend seien Dehydrogenasen. Um welche Enzyme und Produkte es im Projekt genau geht, möchte der Biotechnologe noch nicht verraten. Denn eine Ausgründung soll das Verfahren bald in die Praxis bringen. Im Fokus stehen auf jeden Fall aktive pharmazeutische Wirkstoffe, kosmetische Essenzen und weitere hochpreisige Spezialchemikalien.

Im September läuft die Projektförderung aus. Danach hofft Krüsemann auf Mittel aus einem EXIST-Gründerstipendium. Anfangs will er als Dienstleister Enzyme für die Prozesse anderer Unternehmen optimieren und sucht dafür Kunden. Später möchte er vielleicht auch eine eigene Produktion aufbauen. Es gibt zahlreiche Enzymentwicklungs-Start-ups, und potenzielle Kunden zu überzeugen, dass der eigene Weg der bessere ist, sei herausfordernd. „Es ist einfach, in einem Paper zu schreiben, dass etwas funktioniert“, sagt Krüsemann. „Aber das zu finden, das auch wirtschaftlich ist, ist eine andere Aufgabe, wenn man die Welt verbessern möchte.“

Autor: Björn Lohmann