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Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben es geschafft, chemische und biologische Katalysatoren im selben System für einen gemeinsamen Zweck einzusetzen. Normalerweise brauchen sie sehr unterschiedliche Reaktionsbedingungen. Eine spezielle Gelmatrix war der Schlüssel zum Erfolg. So könnten sich die Vorteile beider Katalysatorarten in Zukunft verbinden lassen.

Das Team der Nachwuchsgruppe Mikrobielle Biotechnologie um Prof. Dr. Robert Kourist berichtet in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“.

Vorteile von Enzym-Katalysatoren

„Enzyme als umweltfreundliche biologische Katalysatoren stehen mittlerweile im Fokus der modernen Synthesechemie“, sagt Robert Kourist. Der Grund: Sie operieren bei milden Reaktionsbedingungen wie neutralem pH-Wert und niedrigen Temperaturen. Außerdem sind sie sehr selektiv, stellen also nur das gewünschte Produkt und wenig Nebenprodukte her.

Es gibt jedoch eine Reihe von Reaktionen, für die bislang keine passenden Enzyme als Katalysatoren gefunden wurden. Daher sind derzeit auch noch chemische Katalysatoren im Einsatz. „Eine Kombination der klassischen Enzyme mit Bio-Katalysatoren ist ein Schritt hin zu umweltfreundlicheren chemischen Prozessen“, sagt Kourist. „Sie in derselben Reaktion zu verwenden ist aber eine Herausforderung.“ Denn sie benötigen unterschiedliche Reaktionsbedingungen, um zu funktionieren.

Unterschiedliche Reaktionsräume

Chemische Katalysatoren sind häufig organo-metallische Verbindungen, die ein organisches Lösungsmittel als Reaktionsumgebung erfordern. Allerdings gibt es nur wenige Enzyme, die in einer solchen Umgebung aktiv bleiben können.

Um dennoch beide Arten von Katalysatoren gemeinsam in einer Reaktion einzusetzen, erzeugten die Bochumer Wissenschaftler Dr. Álvaro Gómez Baraibar und Dennis Reichert getrennte Reaktionsräume mithilfe einer speziellen Gelmatrix. So können die Einzelreaktionen als Kaskade ablaufen, mit mehreren räumlich getrennten Schritten hintereinander.

Reaktionskaskade spart Zeit und Kosten

„Die Kombination der einzelnen Reaktionsschritte in einer Kaskade hat weitere Vorteile“, sagt Reichert. Es sei nicht nötig, das gewünschte Produkt nach den einzelnen Zwischenschritten aufwendig zu isolieren und von Nebenprodukten zu reinigen, weil es direkt als Ausgangsstoff für den nächsten Schritt der Reaktion genutzt werden könne. „Das spart Zeit und Kosten“, erklärt er.

Beispiel mit potenzieller Pharmawirkung

Das Team demonstrierte die neue Methode an der Synthese von Polyphenolen. „Diese Naturstoffe werden vorwiegend als natürliche Antioxidationsmittel genutzt“, erklärt Robert Kourist. „Sie stehen aber auch im Mittelpunkt verschiedener Studien als neue Medikamente zum Einsatz in Krebstherapien.“

Polyphenole synthetisch herzustellen ist aufwendig, und die Ausbeute ist gering. Die Bochumer Gruppe zeigte, dass die Reaktion in Form einer Kaskade in der Gelmatrix realisiert werden kann.