Editorial Juni 2013 - Bionik: das zu eigen machen natürlicher Prinzipien

Proteine sind Bausteine des Lebens, sie geben unseren Körpern Struktur, vermitteln Informationen, steuern Prozesse und katalysieren Reaktionen. Die letztgenannte Gruppe nennt man Enzyme. Ihre Eigenschaft, Reaktionen zu katalysieren, macht sie besonders interessant für die Industrie. Sie funktionieren unter verschiedensten Bedingungen und benötigen weder hohe Temperaturen noch Drücke. Sie erzeugen auch keine unerwünschten Nebenprodukte. Haben sie ihre Aufgabe erledigt, sind sie biologisch leicht abbaubar und für ihre Erzeugung benötigt man nur wenig Energie und muss auch nicht wie bei anderen „Rohstoffen" tief in der Erde nach ihnen graben.

Proteine bestehen aus einer Kette von hintereinander gehängten Aminosäuren mit verschiedenen Eigenschaften. Die Abfolge (Sequenz) der einzelnen Aminosäuren bedingt die räumliche Struktur des Proteins, die ihrerseits die Funktion des Proteins ermöglicht. Hierbei sind Proteine zumeist modular aufgebaut, wobei verschiedene Regionen der Sequenz unterschiedliche Funktionen, wie die Bindung an andere Proteine oder die Ausformung eines katalytisch wirksamen Bereiches haben.

Auf unserem Planeten werden von lebenden Organismen nur 22 verschiedene Aminosäuren in Proteinen verwendet. Es sind allerdings tausend und abertausend weitere nicht biogene Aminosäuren bekannt. Mit den 22 verwendeten Aminosäuren realisieren unsere Körper zehntausend verschiedener Proteine, die wiederum Millionen verschiedener Aufgaben erfüllen.

Stellen Sie sich vor, wie viele biologisch nicht verwendete, katalytische Eigenschaften bereits mit lediglich 22 Aminosäuren möglich wären und beziehen dann tausende weitere Aminosäuren in diese Rechnung ein. Sie kommen zu einer gigantischen Menge an Möglichkeiten verschiedenste Reaktionen zu katalysieren.

Wie können wir uns das zu Nutze machen? Frances H. Arnold von der Caltech Universität in Pasadena, hat genau diese Frage durch eine einfache und schnelle Vorgehensweise beantwortet. Für diese Leistung wurde sie am 27.05.2013 in Darmstadt mit der renommierten Emanuel Merck Vorlesung ausgezeichnet.

Der große Vorteil von Arnolds Methode ist, das man zuvor nicht viel über ein Enzym wissen muss. Benötigt man eines, das eine bestimmte Reaktion katalysiert, braucht man zunächst einen Assay zum Test der gewünschten Enzymaktivität, am einfachsten mit einem fluoreszierten Signal.

Anschließend sucht man systematisch nach Enzymen, die diese Aktivität in geringster Form bereits besitzen, hierbei reicht eine zufällige und eigentlich nicht benötigte Nebenaktivität aus. Es folgen mehrere Runden von künstlicher Rekombination der einzelnen Domänen des Ausgangsenzyms. Erneut wird systematisch nach Aktivität gesucht. Die aktivsten Klone werden ausgewählt und dann zufällige Punktmutationen durch error prone PCR (epPCR) eingeführt. Erneut werden die Klone mit höchster Aktivität ausgewählt, rekombiniert, mutiert usw.

Frances Arnold hat durch diese Methode bereits viele verschiedene Enzyme entwickelt bzw. optimiert. Darunter einige, die extrem thermostabil sind und bei höheren Temperaturen deutlich bessere Umsatzraten aufweisen als die natürlich vorkommenden Varianten. Aber auch in der Natur nicht vorkommende Aktivitäten konnte sie mit ihren Mitarbeitern in Pasadena bereits erzeugen.

Dies ist ein weiteres beeindruckendes Beispiel, wie wir uns die Prinzipien der belebten Natur zu Nutze machen können. Gemessen an dem Aufwand, den wir heute einsetzen müssen, um Materialien zu produzieren, indem wir die Rohstoffe mühsam und unter großer Beeinträchtigung der Umwelt aus dem Boden fördern und reinigen, ist diese Form der Bionik ein großer Sprung für die Menschheit. Sich die belebte Natur genau anzusehen, die grundlegenden Prinzipien und Algorithmen zu erkennen und sie zu unseren Zwecken einzusetzen. Das ist Bionik in der reinsten Form. Es geht bei der Bionik eben nicht nur darum, die Materialien in der Natur zu kopieren, sondern auch die Mechanismen zu nutzen. Wir haben damit gerade erst begonnen, aber die Geschwindigkeit, mit der wir jetzt lernen, ist enorm. Stellen Sie sich vor, welche Möglichkeiten beispielsweise in der industriellen Nutzung der Photosynthese stecken. Billige, regenerative Energie wäre dann beinahe überall verfügbar. Das Prinzip können wir überall sehen, wenn wir aus dem Fenster schauen. Die Lösung der dringendsten Probleme der Menschheit liegt zum Teil unmittelbar vor unserer Nase. Wir müssen sie uns nur zu eigen machen.

Dr. Arne Kusserow
Chefredakteur
arne.kusserow@wiley.com

 

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