Forschende der Universität Greifswald haben kürzlich bahnbrechende Entdeckungen im Bereich der Enzymforschung gemacht. Diese neuen Erkenntnisse über die Struktur und Funktion von Enzymen, die an der Umsetzung von Zuckermolekülen beteiligt sind, könnten weitreichende Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung und Biokraftstoffherstellung haben. Die Ergebnisse wurden am 31. Juli 2025 in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Zentraler Bestandteil dieser Studie ist die Entdeckung eines präzise eingebundenen Wassermoleküls, das anstelle einer Aminosäure die Funktion im aktiven Zentrum von Kohlenhydrat-Esterasen übernimmt. Diese Enzyme, die zur Familie der Hydrolasen gehören, sind für die Spaltung und Bildung von Esterbindungen verantwortlich. Ihre Bedeutung im industriellen Enzymmarkt ist enorm, da sie in Sektoren wie Biomasseabbau, Lebensmittel- und Futtermittelindustrie, der Herstellung von Agrochemikalien und Bioremediation weitreichend eingesetzt werden.
Die Wasservermittelte Katalytische Triade
Die Untersuchung konzentrierte sich insbesondere auf zwei Vertreter der Enzymfamilie CE20, Fl8CE20_II und PpCE20_II. Diese Enzyme wurden in ihrer vollständigen Struktur entschlüsselt mithilfe der Röntgenkristallographie, die im Rahmen einer DFG-geförderten Forschungsgruppe durchgeführt wurde. Die überraschenden Ergebnisse führten zur Bezeichnung der Struktur als „wasservermittelte katalytische Triade“.
Eine entscheidende Erkenntnis war, dass das Wassermolekül eine zentrale Rolle für die Aktivität der Enzyme spielt. Um den Einfluss auf die Koordination des Wassermoleküls zu prüfen, wurden verschiedene Mutanten des Enzyms untersucht. Die Ergebnisse erweitern das Verständnis von Enzymmechanismen erheblich und eröffnen neue Perspektiven für die biotechnologische Anwendung dieses Wissen.
Industrielle Anwendungen und Zukunftsaussichten
Die weitreichenden Möglichkeiten industrieller Anwendungen von Estern sind bemerkenswert. Esterasen sind u.a. in der Lebensmittelbranche, der Textilindustrie und in der Herstellung von Biosensoren gefragt. Eine zunehmende Nachfrage besteht auch nach extremophilen Esterasen, die unter extremen Bedingungen eingesetzt werden können, was ihre Bedeutung für eine umweltfreundliche und nachhaltige Chemie unterstreicht. Innovative Methoden zur Extraktion und Nutzung dieser Enzyme sind ebenfalls in Entwicklung.
Darüber hinaus ist das Fraunhofer IGB in der Herstellung und Optimierung von Enzymen tätig. Hierbei werden nicht nur hydrolytische Enzyme wie Lipasen und Proteasen, sondern auch Oxidoreduktasen erforscht. Der Fokus auf biotechnologische Verfahren ermöglicht eine rekombinante Herstellung dieser Enzyme, was deren Verfügbarkeit für industriellen Einsatz erhöht.
Ein Beispiel für solche Anwendungen sind Lipasen, die etwa 5 % des Weltmarktes für Enzyme ausmachen und in zahlreichen Prozessen eingesetzt werden, wie beispielsweise in der Hydrolyse von Triglyzeriden. Ebenso sind Proteasen mit ca. 60 % aller kommerziellen Enzyme oder spezielle Enzyme zur Raffination von Pflanzenölen von Bedeutung.
Die neuesten Entdeckungen von der Universität Greifswald unterstützen nicht nur die Grundlagenforschung, sondern haben auch praktische Relevanz für die nachhaltige Entwicklung in der Chemie. Die Erkenntnisse bieten Anknüpfungspunkte zu weiteren Forschungen in der Biotechnologie und könnten bedeutende Fortschritte in der Industrie bewirken.
Ansprechpartner für diese Forschung sind Prof. Uwe Bornscheuer und Prof. Michael Lammers vom Institut für Biochemie der Universität Greifswald.
