Das Chip-Bakterium bei der Katalyse beobachten
Chemiker der Universität Leipzig haben in Kooperation mit Wissenschaftlern der Universität Marburg und des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr eine neue Methode entwickelt, um die Biokatalyse im Mikromaßstab untersuchen zu können. Bei der Herstellung von Feinchemikalien und Medikamenten wird zunehmend die sanfte Biokatalyse statt klassischer Chemie eingesetzt. Die Wissenschaftler um Prof. Dr. Detlev Belder (Leipzig) und Prof. Dr. Dr. Manfred Reetz (Marburg/Mülheim) haben ein Verfahren entwickelt, in dem dieser Prozess statt in großen Kolben in einem integrierten Mikrochip stattfinden und genau verfolgt werden kann. Damit konnten erstmals selektive chemische Umwandlungen, an denen nur wenige Zellen beteiligt sind, untersucht werden.
Cartoon-Darstellung einer Zelle, die als Biokatalysator im Chip wirkt.
Dr. Stefan Ohla/Universität Leipzig
Der Fokus lag bei ihren Untersuchungen auf der sogenannten enantioselektiven (asymmetrischen) Katalyse. Bei dieser Stoffumwandlung mit einem Katalysator werden Substanzen hergestellt, die sich so ähneln wie Bild und Spiegelbild aber nicht zur räumlichen Deckung gebracht werden können, im Organismus jedoch sehr unterschiedliche Wirkung entfalten. "Mit diesem Ansatz kann man potenziell sogar einzelne Zellen im Hinblick auf ihre Wirksamkeit in der enantioselektiven Biokatalyse unterscheiden", sagt Belder.
Wissenschaftler in Laborkitteln, die im Labor Kolben und Reagenzgläser schütteln und tischgroße Analysegeräte bedienen - so stellt man sich normalerweise chemische Forschung vor. Doch im Gegensatz dazu bedienen sich die Chemiker um Prof. Detlev Belder von der Universität Leipzig der sogenannten Lab-on-a-Chip-Technologie, bei der geschrumpfte chipbasierte Chemielabore genutzt werden, um komplexe chemische Prozesse und Untersuchungen in haarfeine Kanäle zu integrieren.
Dieser Ansatz wurde nun in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Reetz von der Universität Marburg und dem Max-Planck-Institut für Kohlenforschung eingesetzt, um die enantioselektive Biokatalyse mit ganzen Zellen in bisher unerreicht kleinen Dimensionen zu studieren. Statt Abermillionen von Zellen in riesigen Bioreaktoren (Fermentern) zu verwenden, wurden nur wenige Zellen des Coli-Bakteriums auf einen Mikrochip aufgetragen. Dort konnten die Forscher die Synthese zu Feinchemikalien und potenziellen Medikamenten in Volumina kleiner als ein Nebeltropfen verfolgen. "Eine wichtige Frage, die sich in diesem Zusammenhang stellt, ist, ob sich individuelle Zellen in der gewünschten Funktion unterscheiden, oder - bildlich gesprochen - ob sich einzelne Schafe anders als die Herde in ihrer Gesamtheit verhalten", erklärt der Chemiker. Diese Erkenntnis könnte neue Wege in der maßgeschneiderten Bio- bzw. Enzymkatalyse eröffnen und die Entwicklung neuer, bezahlbarer Medikamente beschleunigen. Eine weitere Vision wäre, so Reetz, "die Entwicklung einer Parallelisierung auf dem Mikrochip zwecks Hochdurchsatz-Analyse von ganzen Mutanten-Bibliotheken für Anwendung auf dem Gebiet der gerichteten Evolution enantioselektiver Enzyme."
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