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Um neue Werkzeuge für die Katalyse zu entwickeln, fördert das Mercator Research Center Ruhr (MERCUR) zwei Projekte mit Bochumer Beteiligung mit insgesamt rund 240.000 Euro. Das Team um Prof. Dr. Dirk Tischler von der Arbeitsgruppe Mikrobielle Biotechnologie der Ruhr-Universität Bochum (RUB) entwickelt in Kooperation mit einem Team der Technischen Universität (TU) Dortmund neue Bio-Bausteine, die sich zuverlässig und einfach zu Bio-Katalysatoren zusammensetzen lassen. Prof. Dr. Stefan Huber und seine Arbeitsgruppe am Lehrstuhl Organische Chemie I der RUB entwickeln zusammen mit der Universität Duisburg-Essen (UDE) neue Verfahren für die Katalyse mittels Halogenbrücken.

Biokatalysatoren aus dem Werkzeugkoffer

Diese Katalysatoren sind komplexe Proteine; Gene beinhalten die Bauanleitung dafür. Unterschiedliche Gen-Abschnitte enthalten die Bauanleitung für verschiedene Proteinbestandteile. In der Synthetischen Biologie erzeugen Forschende Gen-Bausteine, die für unterschiedliche Biokatalysatoren nutzbar sind. Diese sogenannten Biobricks bilden eine Art Bausatz, aus dem man sich einen Katalysator für einen bestimmten Zweck zusammensetzen kann. Die passenden Gen-Bausteine werden zusammengefügt und in einen Organismus wie das Bakterium E. coli eingebracht. Dieses übersetzt das Gen in Proteine mit katalytischer Funktion.

„Eine interessante Quelle für Biokatalysatoren sind Actinobakterien, in denen viele genetische Elemente enthalten sind“, sagt Dirk Tischler. Das Problem: Gene von Actinobakterien beinhalten häufig die Moleküle Guanin (G) und Cytosin (C). Solche Gene mit einem hohen G/C-Gehalt können andere Bakterien wie E. coli häufig nicht verarbeiten, weil ihre zelluläre Maschinerie darauf nicht ausgelegt ist. Die funktional interessanten Gen-Produkte der Actinobakterien können somit nicht einfach von biotechnologischen Arbeitstieren wie E. coli hergestellt werden. Hier setzt das Projekt der RUB und TU Dortmund an. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen Biobricks erzeugen, die sich in Actinobakterien in Proteine übersetzen lassen und so einen neuen Werkzeugkasten für die Synthese von Biokatalysatoren bereitstellen.

MERCUR fördert das Projekt „Kombinatorische Expressionssysteme für komplexe Gene – Ein Werkzeugkasten für die effiziente Katalysatoridentifikation“ mit etwa 100.000 Euro. Dirk Tischlers Team kooperiert mit der Dortmunder Gruppe um Dr. Katrin Rosenthal.

Katalysatoren mit Extra-Ring

Das Bochumer Team um Stefan Huber interessiert sich seit Langem für die Rolle von Halogenbrücken bei der Katalyse. Halogenbrücken sind ähnliche Bindungen wie Wasserstoffbrücken, aber viel weniger erforscht. Es handelt sich um schwache Wechselwirkungen zwischen einem elektronenreichen Bereich und einem elektronenarmen Bereich an einem Halogenatom, also beispielsweise Chlor, Brom oder Iod. In der Katalyse tritt diese Art der Bindung zwischen dem Katalysator und dem Substrat auf, also dem Molekül, das vom Katalysator zum Produkt umgesetzt wird. Die Halogenbrücke ermöglicht die notwendige Wechselwirkung zwischen Katalysator und Substrat.

Eine Herausforderung entsteht dadurch, dass die Produkte von chemischen Reaktionen oft in zwei räumlichen Konfigurationen entstehen, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten – in der Regel ist aber nur eine dieser Konfigurationen erwünscht. Ziel des Projekts von RUB und UDE ist es, dem mittels Halogenbrücken arbeitenden Katalysator die entscheidende Information – die sogenannte chirale Information – mitzugeben, sodass nur die erwünschte räumliche Konfiguration entsteht.

Dazu nutzen die Forschenden ein besonderes Konstrukt: „Wir legen quasi einen Ring um den bisherigen Katalysator und fixieren ihn dort mit sperrigen Endgruppen“, erklärt Stefan Huber. „Dieser Ring enthält die chirale Information, die bewirkt, dass nur das eine Reaktionsprodukt, aber nicht sein Spiegelbild entsteht.“

MERCUR fördert das Projekt „Teaching a new dog new tricks – Asymmetric organocatalysis based on halogen-and chalcogen-bonding” mit rund 140.000 Euro. Stefan Hubers Team kooperiert mit der Gruppe von Prof. Dr. Jochen Niemeyer von der UDE.