Stärker als die Natur: Optimierte Radikale für neuartige Katalysatoren

Forschungsteam bildet Phenoxyl-Radikale mit verbesserter Oxidationsfähigkeit im Labor nach

18.03.2024

Die Natur nutzt Enzyme für verschiedene Stoffwechselprozesse. Diese biologischen Katalysatoren sind in ihrer Wirkung extrem effizient. Von großem Interesse sind daher für Forschung und Industrie biomimetische Katalysatoren aus dem Labor, die – nach dem Vorbild der Natur – bei Raumtemperatur funktionieren und auf preiswerten Ausgangsstoffen basieren.

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In einem vom Institut für Chemie der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) geleiteten Projekt haben Forschende an einer speziellen Gruppe von biologischen Katalysatoren geforscht, sogenannten Oxidasen. Diese Enzyme katalysieren verschiedene Oxidationsreaktionen, bei der Elektronen von einem Stoff abgegeben und von einem anderen aufgenommen werden. Dabei spielen oft kleine, hochreaktive Teilchen, sogenannte Radikale, eine wichtige Rolle.

Oxidationsfähigkeit durch Anbindung an Eisen verbessert

Das Team um den HU-Forscher Kallol Ray hat einen Weg gefunden, das Radikal Phenoxyl des in vielen Pilzarten vorkommenden Enzyms Galaktose-Oxidase im Labor so nachzubilden, dass die Oxidationsfähigkeit enorm gesteigert werden konnte. In der natürlich vorkommenden Galaktose-Oxidase wird das Phenoxylradikal durch ein Schwefelatom stabilisiert, was die Oxidationsfähigkeit einschränkt. Die Forschenden haben nun die Oxidationsfähigkeit durch Anbindung eines Phenoxylradikals an Eisen verbessert und dieses Eisen-Phenoxyl-Radikal erstmals chemisch charakterisiert. Für die Arbeiten hat Rays Arbeitsgruppe mit Kolleg*innen der Technischen Universität Berlin und der University of Michigan, USA, zusammengearbeitet.

Erstmalige Beschreibung des Eisen-Phenoxyl-Radikals – wichtig für Forschung und Industrie

„Wir gehen davon aus, dass unsere Arbeit Ausgangspunkt für gezieltere Bemühungen zur Nutzung der Eisen-Phenoxylradikal-Wechselwirkung für verschiedene biochemische Reaktionen sein wird“, sagt Kallol Ray. „Dies kann die Entwicklung neuartiger Katalysatoren unterstützen, die für alternative Energietechnologien und andere biotechnologische Anwendungen benötigt werden." Die Forschungsergebnisse von Ray und seinem Team haben sowohl für Forschung als auch Anwendung eine große Bedeutung, denn die Reaktion, die die Galaktose-Oxidase katalysiert (Oxidation eines primären Alkohols zum entsprechenden Aldehyd), gehört zu den wichtigsten und am häufigsten angewendeten in der organischen Chemie. Die Erkenntnisse könnten auch in der Industrie bei der Umwandlung des klimaschädlichen Gases Methan in flüssiges Methanol genutzt werden. Anders als Methan, das ein flüchtiges Gas ist und nur schwer handhabbar, lässt sich Methanol leicht transportieren und kann als synthetischer Kraftstoff eingesetzt werden. Aktuell muss bei der Umwandlung von Methan in Methanol sehr viel Energie aufgewendet werden. Die chemische Reaktion braucht Temperaturen von mehr als 500 Grad Celsius und muss unter hohem Druck stattfinden. Biomimetische Katalysatoren könnten diesen Energieaufwand erheblich reduzieren.

„Bei diesem Projekt war es spannend zu sehen, welche unerwarteten strukturellen aber auch funktionalen Parallelen zwischen dem synthetischen System und dem natürlichen Enzym auftreten können“, sagt Dustin Kass, einer der Doktoranden in der Arbeitsgruppe von Kallol Ray und Hauptautor der Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Chemistry erschienen ist.

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