04.02.2022 - University of Warwick

Verbindungen aus "verdauten" Molekülen wecken Appetit auf umweltfreundlichere Pharmazeutika und Agrochemikalien

Neue Methode nutzt Enzyme zur Herstellung von Indolamiden, Carbonsäuren und Auxinen

Wissenschaftler der University of Warwick haben eine Methode zur Herstellung wichtiger chemischer Bausteine für die pharmazeutische und agrochemische Industrie entwickelt, die der pflanzlichen Produktion nachempfunden ist.

Die Wissenschaftler haben Bakterien geschaffen, die Moleküle "verdauen", um neue Verbindungen in einem Prozess zu synthetisieren, der wiederverwendbar ist und nur minimale Abfallprodukte erzeugt, indem sie Enzyme auf die gleiche Weise wie Pflanzen einsetzen. Ihre Ergebnisse werden in einer neuen Studie in der Zeitschrift ACS Catalysis veröffentlicht und könnten der pharmazeutischen und agrochemischen Industrie dabei helfen, ihre Herstellungsprozesse umweltfreundlicher zu gestalten.

Die Wissenschaftler waren besonders daran interessiert, einen Prozess in Pflanzen zu reproduzieren, der als Indol-3-Acetamid (IAM)-Weg bezeichnet wird und der es der Pflanze ermöglicht, Verbindungen wie Indolamide, Carbonsäuren und Auxine zu produzieren. Diese Verbindungen haben eine Reihe von agrochemischen und pharmazeutischen Anwendungen, sind aber für die Industrie nur schwer herzustellen, es sei denn mit Hilfe chemischer Katalysatoren, bei denen eine Menge giftiger chemischer Abfälle anfallen.

Wissenschaftler wissen zwar seit Jahrzehnten, wie die Natur diese Moleküle herstellt, aber bisher gab es keine Technologie, mit der sich dies ausnutzen ließ. Nun hat ein Team des Warwick Integrative Synthetic Biology Centre erstmals ein Verfahren entwickelt, bei dem Enzyme in einer Reihe von Kaskadenreaktionen Moleküle aufspalten und zu den gewünschten Verbindungen synthetisieren, so wie es eine Pflanze tun würde.

Die von UK Research and Innovation und der Royal Society finanzierte Studie wurde von Dr. Binuraj Menon von der University of Warwick School of Life Sciences geleitet, der jetzt an der University of Portsmouth tätig ist. Er sagte: "Wir wussten, dass es in Pflanzen mehrere Wege zu Auxin-Molekülen gibt. Außerdem nutzen einige pflanzenpathogene Bakterien diese Wege, um Pflanzenwurzeln und -gallen zu infizieren und darin zu wachsen. Bei der Rekonstruktion dieser Wege in einem industriellen und freundlichen mikrobiellen Wirt sind wir jedoch immer wieder auf funktionelle Probleme gestoßen.

"Durch das Engineering dieser Enzyme können wir den Prozess für die Produktion in großem Maßstab anpassen und ihn leicht zugänglich, reinigbar und kompatibel machen. Der Vorteil liegt hier in der Anwendbarkeit dieser Enzyme, denn die bestehenden enzymatischen Lösungen zur Herstellung von Amid und Carbonsäure sind schwierig, zeitaufwändig und erfordern viele teure Komponenten

Enzyme dienen in lebenden Organismen einer Vielzahl von Zwecken und sind oft am besten dafür bekannt, dass sie Teil des menschlichen Verdauungssystems sind, indem sie Nahrung aufspalten. Als Biokatalysatoren sind sie an vielen anderen Funktionen beteiligt, indem sie chemische Reaktionen beschleunigen. Enzyme werden als Alternativen zu den derzeitigen chemischen Methoden untersucht, um industrielle Emissionen und Ressourcen zu reduzieren - eine ideale Lösung für den Übergang zu einer grüneren und umweltfreundlicheren industriellen Produktion.

Zur Herstellung der Enzyme für diese Studie verwendeten die Wissenschaftler nicht-pathogene Bakterien, die so manipuliert wurden, dass sie die Enzyme überexprimieren. Diese Enzyme können für Reaktionen unter milden und wässrigen Bedingungen abgetrennt werden oder die Bakterien können direkt für Reaktionen verwendet werden.

Die Bakterienzellen vermehren sich schnell, und die Chemikalien werden aus billigeren Bestandteilen wie Glukose hergestellt, so dass sie leicht skaliert und wiederverwendet werden können, ohne dass Abfälle anfallen oder die Umwelt belastet wird, wie es bei chemischen Katalysatoren häufig der Fall ist. Durch die Neugestaltung von Mikroben und Enzymen können diese mit neuen Fähigkeiten und Anwendungen ausgestattet werden.

Dr. Menon fügte hinzu: "Im Grunde machen wir uns die Kraft der Natur zunutze, um viele Probleme in der chemischen, pharmazeutischen, landwirtschaftlichen und verarbeitenden Industrie durch die Entwicklung von Mikroben und Enzymen zu lösen. Synthetische Biologie bedeutet im Wesentlichen, die Biologie für synthetische Zwecke zu nutzen, und hier haben wir gezeigt, wie man sie mit verschiedenen Enzymen mischen und für viele ähnliche Moleküle verwenden kann.

"In naher Zukunft werden wir durch zusätzliche technische Entwicklung und laborgestützte Evolution dieser Enzyme in der Lage sein, maßgeschneiderte Moleküle und gezielte Chemikalien herzustellen. Die gentechnisch veränderten Bakterien könnten auch zur Beschichtung von Saatgut verwendet werden, um eine gesunde Keimung und Wurzelentwicklung zu fördern, oder als Unkrautvernichter, indem man die Auxine abstimmt - es gibt viele direkte Anwendungen und Möglichkeiten.

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