Stephan Lütz

Eiweiß begegnet vielen von uns zum Frühstück. Von diesem Eiweiß soll hier nicht die Rede sein, sondern von den vielen anderen Formen von Eiweißen (Proteinen), die in der Natur vorkommen und die als Enzym bezeichnet wird. Enzyme sind heutzutage Werkzeuge der Chemiker geworden, weil sie in der Lage sind, als Katalysatoren chemische Reaktionen gezielt zu beschleunigen. So wie im Abgaskatalysator im Auto der chemische Abbau der schädlichen Abgase vonstatten geht, ohne dass der Katalysator sich dabei verbraucht, können auch Enzyme als Biokatalysatoren wirken. Sie beschleunigen eine chemische Reaktion, ohne sich dabei selber zu verbrauchen. Bereits heute gibt es über 150 industrielle Prozesse, die Enzyme als Biokatalysatoren in der Herstellung von Fein- und Spezialchemikalien (z.B. für Arzneimittel) nutzen [1]. Ein Beispiel für ein Enzym zeigt Abbildung 1 [2].

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Struktur des Enzyms Chloroperoxidase (CPO).

Ein großer Vorteil der Enzyme ist Ihre hohe Selektivität in chemischen Reaktionen, insbesondere die sogenannte Enantioselektivität. Es gibt manche chemische Substanzen, die in zwei verschiedenen, optisch aktiven Formen (wie die sogenannten "rechtsdrehende Milchsäure im Joguhrt) vorkommen, die sich zueinander verhalten wie Objekt und Spiegelbild. Diese beiden Formen einer chemischen Substanz werden mit (R)- und (S)- bezeichnet. Ein Beispiel für eine chirale Verbindung zeigt Abbildung 2, das Methylphenylsulfoxid.

Abbildung 2: Abbildung 2 : links (R)- und rechts (S)-Methylphenylsulfoxid

Chirale Sulfoxide finden breite Anwendung, z.B. als Hilfsstoffe (chirale Auxiliare) in der organischen Synthese oder als Pharmawirkstoffe. Da die beiden Enantiomere einer Substanz unterschiedlich im Körper wirken können (ein trauriges Beispiel für eine schädliche Nebenwirkung des "falschen" Enantiomers war das Arzneimittel Contergan®) ist es insbesondere in der Pharmaindustrie wichtig, die Substanz in der für die Wirkung erwünschten "richtigen" Konfiguration zu synthetisieren und einzusetzen.

Abbildung 3: Synthese von (R)-Methylphenylsulfoxid mit CPO

Eine Möglichkeit, enantiomerenreines Mthylphenylsulfoxid herzustellen, ist die Oxidation von Methylphenylsulfid (Trivialname Thioanisol, Abbildung 3, linke Seite). Als Oxidationsmittel kann Wasserstoffperoxid (H₂O₂) verwendet werden. Wird die Reaktion in Gegenwart von CPO als Biokatalysator durchgeführt, wird selektiv nur die (R)-Enantiomer gebildet (Enantiomerenüberschuss ee > 98,5%).

Das Enzym Chloroperoxidase gehört zur Klasse der Oxidoreduktasen. Enzyme dieser Klasse katalysieren Oxidations- und Reduktionsreaktionen [3], benötigen hierzu Redoxäquivalente (wie z.B. das Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid für die o.g. Reaktion). Biokompatible Redoxäquivalente sind die sogenannten Cofaktoren. Sie liegen in einer oxidierten und reduzierten Form vor, und können zwischen Enzymen die benötigten Redoxäquivalente hin- und hertransportieren. Beispiele für Cofaktoren zeigt Abbildung 4.

Abbildung 4: Beispiele für Cofaktoren (biologische Redoxäquivalente: 1: Flavin Adenine Dinucleotide (FAD), 2: Thio-Tyrosine, 3a (R=H) : Nictotinamid Adenine Dinucleotide (NAD+), 3b (R=PO32-) : Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate (NADP+), 4 : 6-Hydroxy-DOPA, 5 : Methoxanthin (Pyrroloquinoline quinine; PQQ) 6 : Tryptophane-Tryptophan quinine)

In gewisser Weise können die Cofaktoren als biologische Akkus verstanden werden, die in einer "aufgeladenen" und einer "entladenen" Form vorliegen. Wie Akku-Batterien sind sie zu teuer für einen einmaligen Einsatz, sondern werden erst für technische Prozesse interessant, wenn man sie häufig wieder auflädt (rezykliert bzw. regeneriert).
In biologischen Systemen werden diese Cofaktoren ständig durch den Stoffwechsel wiederaufgeladen, bei der Zellatmung wird z.B. Zucker (Glucose) zu CO₂ oxidiert. Die dabei freiwerdenden Redoxäquivalente wandeln ständig NAD⁺ (oxdierte Form) zu NADH (reduzierte Form) um, das damit wieder für andere Reaktionen zur Verfügung steht. Verwendet man allerdings isolierte Oxidoreduktasen (also ohne den restlichen Stoffwechsel) in der Synthese einer bestimmten Substanz, muss man auf andere Systeme zum Wiederaufladen der Cofaktoren ausweichen (z.B. unter Verwendung von Isopropanol oder Formiat und dem Enzym Formiatdehydrogenase (Abbildung 5) anstelle von Glucose) [4]

Abbildung 5: Technischer Prozess zur Herstellung tert-Leucin mit Cofaktorregenerierung [5]

Hierbei wird in der Regel ein zweites Enzym benutzt, was in einer Nebenreaktion ein zweites Substrat umsetzt, in manchen Fällen kann ein und dasselbe Enzym für die Produktions- und die Aufladereaktion verwendet werden. Für jedes gebildete Produktmolekül wird jedoch immer auch ein Nebenproduktmolekül gebildet.

Zum Wiederaufladen der biologischen Akkus in Enzymreaktionen kann man auch die Elektrochemie einsetzen. Die in einer Elektrolyse eingesetzte elektrische Energie wird hierbei wie bei jeder anderen Elektrolyse auch in chemische Energie umgewandelt, zusätzlich wird bei der elektrochemisch angetriebene Reaktion durch die Gegenwart des Enzyms das Produkt nur in einer der gewünschten enatiomeren Formen gebildet. Die Kombination eines elektrochemischen Schrittes mit einer biokatalytischen Reaktion gehört zum Bereich der Bioelektrochemie. Steckhan et al. haben die Nutzung dieser Kombination zur Herstellung von Feinchemikalien als elektroenzymatische Synthese oder Elektroenzymatik bezeichnet [6]. Ein Beispiel für eine elektrochemische Cofaktorregenerierung zeigt schematisch Abbildung 6.

Abbildung 6: Elektrochemische Cofaktorregenerierung

Der biologische Akku NAD, bzw. NADP lässt sich nicht direkt an der Elektrode umsetzen, dabei wird ein Teil der wertvollen Moleküle zerstört, daher wird ein Überträger (Mediator), z.B. ein Rhodium-Komplex eingesetzt [7]. Dieser Mediator (cp*RhXL) wird an einer Elektrode reduziert. Die reduzierte Form des Rhodium-Komplexes ist in der Lage, den Cofaktor NAD(P)⁺ zu NAD(P)H zu reduzieren, wobei der Mediator seinerseits reoxidiert wird, um erneut an der Kathode zur Reaktion zu kommen.

Somit kann der Cofaktor immer wieder aufgeladen und für Produktionsreaktionen verwendet werden. Einen Überblick über mögliche elektrochemische Cofaktor-Regeneriersysteme gibt die folgende Tabelle, für einen Überblick hierzu siehe insbesondere [6] und die dort zitierten Stellen

Durch die elektrochemische Cofaktorregenerierung wird die Ansammlung eventuell das Enzym hemmender hoher Konzentrationen des "entladenden" Cofaktors vermieden, der Cofaktor wird immer im richtigen Ladezustand bereit gestellt.

Im Rahmen unserer Arbeiten haben wir die Oxidation von Methylphenylsulfid zum korrespondierenden chiralen Sulfoxid mittels des Enzyms Chloroperoxidase (CPO, siehe Abbildung 3) mit der elektrochemischen Synthese von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) durch kathodische Reduktion von gelöstem Sauerstoff kombiniert (Abbildung 7) [9].

Abbildung 7: Elektroenzymatische Sulfoxidation

Wasserstoffperoxid ist von der Haarbleiche als starkes Oxidationsmittel bekannt und kann auch in enzymatischen Reaktionen als Oxidationsmittel dienen. Da es jedoch in zu hohen Konzentrationen für viele Enzyme schädlich ist, muss es während der Reaktion in sehr niedriger Konzentration vorliegen, und nur so schnell gebildet werden, wie es auch verbraucht wird.
Die Aufgabe der Elektrochemie liegt bei den cofaktor-freien Enzymen nicht in dem Wiederaufladen der Akkus sondern dem Vermeiden kritischer Konzentrationen an inhibierenden oder desaktivirenden Stoffen. Um das Enzym in die Steckdose zu stecken ist hierfür kein Mediator nötig. Um den Übergang des Stromes in die Enzymreaktion jedoch effektiv zu gestalten wurde eine dreidimensionale Elektrode mit einem gepackten Bett aus Graphit-Partikeln verwendet (Abbildung 8).

Abbildung 8: Elektrochemische Zelle für die Bioelektrochemie

In dieser Elektrolysezelle, durch die ständig das Enzym und das Substrat gelöst in einem Puffer durchgepumt wurde, wird an den Graphitpartikeln der Sauerstoff reduziert und das gebildete Wasserstoffperoxid direkt (in situ) verbraucht. Dadurch können zu hohe - enzymschädliche - Konzentrationen von H₂O₂ vermieden werden.
Der Vorteil der Elektrochemie ist hierbei, dass sich über die eingestellte Spannung bequem die Bildungsgeschwindigkeit des Oxidationsmittels steuern lässt (Abbildung 9).

Abbildung 9: Regelung der Reaktionsgeschwindigkeit durch die angelegte Spannung

Wird unter den gewählten Reaktionsbedingungen eine Klemmenspannung von 1,9 V angelegt ist die Bildungsrate an Produkt (dem chiralen Sulfoxid) etwa doppelt so groß wie bei einer Klemmenspannung von 1,8V.

Wie steckt man also ein Eiweiß in die Steckdose? Indem man die biologischen Akkus der Enzyme, die Cofaktoren, über eine elektrochemische Reaktion wieder auflädt, oder eine benötigte Ausgangsverbindung (wie z.B. H₂O₂) elektrochemisch in Gegenwart des Enzyms herstellt. Und wieso sollte man es tun? Weil die Elektrochemie die biologischen Akkus im Prinzip nebenproduktfrei wieder aufladen kann. Man benötigt kein zweites Enzym, keine zweite chemische Aufladereaktion mehr. Oder es kann im Fall der Peroxidase-Reaktion eine Vergiftung des Enzyms durch zu hohe Konzentrationen des Oxidationsmittels verhindert werden.
Somit könnten enzymatische Synthesen noch umweltfreundlicher gestaltet werden. Technische Prozesse werden eventuell einfacher, da die Produktaufarbeitung leichter werden kann. Derzeit gibt es noch keine industriell eingesetzte elektroenzymatische Synthese. Ein Problem für die technische Umsetzung stellt gewissermaßen der Stecker dar, mit dem man das Enzym mit der Elektrochemie verbinden will. So ist bisher ein Mediator nötig, der den Kontakt zwischen Cofaktor und Elektrode herstellt. Noch bessere elektroenzymatische Prozesse könnten durch die Entwicklung besserer Mediatortechniken oder der direkten Verbindung des Enzyms mit der Elektrode erreicht werden.

Ich danke Herrn Prof. C. Wandrey (Institut für Biotechnologie, Forschungszentrum Jülich) für seine fortwährende Unterstützung und inspirierende Diskussionen sowie Frau PD Dr. Pohl (Institut für Enzymtechnologie, Universität Düsseldorf) für die Überlassung der Abbildung.