Multi-Enzym-Katalyse bedeutet mehrere Enzyme gleichzeitig zu verwenden, ohne die entstehenden Zwischenstufen aufwendig zu isolieren bevor sie für die nächste Reaktion eingesetzt werden. Dies ist bei Enzymen, im Gegensatz zu chemischen Katalysatoren, besonders dadurch möglich, dass sie unter ähnlichen Bedingungen effektiv arbeiten können oder so verändert werden können, dass sie miteinander kompatibel sind. Unser Ziel ist es, durch Multi-Enzym-Katalyse aus Zuckern oder anderen Molekülen, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden können, Plattform- und Feinchemikalien herzustellen.

Abbildung 1: Nutzbarmachung von nachwachsenden Rohstoffen durch den Einsatz von Enzym-Kaskaden.

Für die Entwicklung und Optimierung der Multi-Enzym-Katalyse erforschen wir

• Die intrinsischen Eigenschaften der beteiligten Enzyme (Aktivität, Spezifität, Stabilität) und optimieren sie, falls nötig (siehe Enzym Engineering).
• Analytische Methoden wie HPLC, GC, MS, NMR oder enzymatische Assays, zum Nachweis und zur Quantifizierung der Intermediate, Produkte und ggf. Nebenprodukte, um das Zusammenspiel der Enzyme in der Multi-Enzym-Katalyse zu verstehen und ihre Schwächen und Stärken zu identifizieren.
• Mathematische Modelle (in Kooperation), um Vorhersagen über Flaschenhälse und optimale Bedingungen für die Multi-Enzym-Katalyse entsprechend der Fragestellung treffen zu können.

Am Lehrstuhl wurden bereits verschiedene Multi-Enzymkaskaden etabliert und fortlaufend weiterentwickelt:

Abbildung 2: Enzymkaskaden von Glucose über Pyruvat zu Isobutanol oder Ethanol.

In einer von uns entwickelten artifiziellen Enzymkaskade wird aus Glucose mit vier Enzymen Pyruvat hergestellt und die klassische Glykolyse, die dafür 10 Enzyme benötigt stark verkürzt und vereinfacht. Pyruvat wiederum kann als Startmolekül für eine Reihe interessanter Produkte mit jeweils eigenen Kaskaden hergestellt werden link Aminosäure, Isobutanol etc.).

Andere Startmoleküle für unsere Multi-Enzymkatalysen sind Xylose, die aus Hemicellulose gewonnen werden kann oder Glycerol.

Im Rahmen der Multi-Enzym-Katalyse beschäftigen wir uns auch mit der Kopplung von enzymatischen mit chemischen- oder eletrochemischen Reaktionen, dem Design neuer stabilerer oder kostengünstigerer Cofaktoren und notwendiger Weise auch mit Enzym Engineering.