Samstag, 21. Mai 2022

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Gelenkte Evolution
Darwinismus im Reagenzglas

Enzyme ermöglichen oder beschleunigen in biologischen Systemen chemische Reaktionen. Sie werden in zunehmendem Maße auch in der Industrie eingesetzt und von den Chemikern für ihre Einsatzzwecke optimiert. Dabei imitieren die Forscher die Natur, indem sie die Biomoleküle einer künstlichen Evolution unterwerfen. Auf dem Jahrestreffen der DECHEMA war dieses Verfahren ein Thema.

Von Arndt Reuning | 28.09.2006

Chemiker setzen auf die Evolution im Reagenzglas.
Chemiker setzen auf die Evolution im Reagenzglas. (picture alliance/imageBROKER/Daniel Schoenen)
Ulrich Schwaneberg forscht an der privaten Hochschule International University Bremen an ganz speziellen Biokatalysatoren. Seine Enzyme können Sauerstoff gezielt und wohldosiert in Moleküle einbauen, die beispielsweise als Ausgangsstoffe für Medikamente benötigt werden. Die Chemie-Industrie kann sich also dieser Naturstoffe bedienen, um ihre Synthese ein wenig umweltfreundlicher zu gestalten. Aber: Oft bringen Enzyme nicht dieselbe Leistung wie synthetische Katalysatoren. Schwaneberg:

"Viele Katalysatoren, die in der Natur vorkommen, sind natürlich so ausgelegt, dass sie optimal sind für den Organismus. Wenn wir nun in einem Prozess Wertstoffe, Pharmaka, Intermediate herstellen wollen, haben wir ganz andere Bedingungen an den Biokatalysator, verglichen zu den Bedingungen, die der Biokatalysator in der ganzen Zelle vorfindet."
Die Natur nachahmen
Zum Beispiel das Lösungsmittel. In der Natur ist das eigentlich immer Wasser. Viele Reaktionen im Labor aber funktionieren nur in organischen Lösungsmitteln, etwa in Ether oder in Alkohol. Auch die Temperatur macht den Enzymen zu schaffen. Denn sie sind von der Evolution ja nicht dafür ausgelegt, in kochendem Wasser zu arbeiten. Obwohl: Ausnahmefälle gibt es eben doch. Schwaneberg:

"Die Natur hat es ja auch geschafft, Organismen anzupassen an Salzseen, heiße Quellen, dass die dort überleben, ohne dass sie einen Computer hat oder genau weiß, was sie genau macht. Und die Natur bedient sich dort Methoden, dass zufällig Mutationen eingefügt werden, und das ahmen wir im Labor nach. Nur: wir geben die Richtung dort vor."

Künstliche Evolution im Reagenzglas. Die ist deshalb möglich, weil der Bauplan der Enzyme im Erbgut des jeweiligen Organismus abgelegt ist. Die Wissenschaftler können also die Gene aus der Erbsubstanz isolieren und vervielfältigen. Und beim Kopieren absichtlich Fehler einbauen – eben jene Mutationen, wie sie auch in der Natur vorkommen. Aus einem einzigen Gen erhält man auf diese Weise eine Vielzahl von Variationen, von Mutanten. Bakterien helfen den Wissenschaftlern, aus den manipulierten Bauplänen die Enzyme aufzubauen. Und die kann man mit einem Massentest durchmustern – manche von ihnen sind dann vielleicht anfälliger geworden gegenüber hohen Temperaturen, aber andere haben ihre Stabilität auch verbessert. Manfred Reetz, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mühlheim.

"Das ist aber nur der erste Schritt. Man stelle sich vor: Wir produzieren 10.000 Mutanten und identifizieren den Besten, den Sieger des Rennens, kann man vielleicht sagen."
Die besten Mutationen kommen weiter
Die guten ins Töpfchen, die schlechten in die Abfalltonne. Der Sieger des Rennens wird nun erneut an den Start geschickt. Die Wissenschaftler kopieren das erfolgreich mutierte Gen, und bauen wieder Fehler ein. Manche zum Vorteil, manche zum Nachteil. Reetz:

"Und das kann man beliebig oft machen, mehrere Zyklen, fünf, zehn vielleicht. Und so kann man die Eigenschaften des Katalysators schrittweise verbessern. Und man verlässt sich dabei auf Darwinismus im Reagenzglas."

Eben auf jenen Mechanismus von Mutation und Auswahl über Generationen hinweg. Wobei es auch natürlich auch Grenzen für die Suche geben muss, um sich nicht in dem Übermaß aller möglichen Mutationen zu verlieren. Reetz:

"Es ist kein Lotteriesystem, es ist nicht die Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Denn in diesem Heuhaufen gibt es Millionen von Lösungen des Problems, nämlich Millionen von Enzymen, die das tun könnten, was wir wollen. Die Herausforderung ist es, in diesem großen Heuhaufen Methoden und Strategien zu entwickeln, mit möglichst geringem Aufwand eine Nadel oder zwei zu finden, was wir wollen. Und dann ist man zufrieden. Man muss nicht unbedingt die allerbeste haben."