Im Labor entwickeltes Bakterienenzym ist bis zu 1.800-mal effizienter

Für die Herstellung eines Arzneimittels oder eines Lebensmittelaromas muss oft Alkohol oxidiert werden, ein Schritt, den Chemiker meist mit aggressiven Oxidationsmitteln bei hohen Temperaturen durchführen, wobei giftiger Abfall entsteht. Lebende Organismen bieten einen schonenderen Weg. Pilze produzieren Galactose-Oxidasen, Enzyme, die dieselben Reaktionen an Alkoholen und einfachen Zuckern unter milden Bedingungen mit Sauerstoff ausführen. Bislang stammten die am besten charakterisierten Varianten aus Pilzen. Ein Team am Instituto de Tecnologia Química e Biológica António Xavier der NOVA-Universität Lissabon (ITQB NOVA) in Portugal hat nun die erste Galactose-Oxidase aus Bakterien beschrieben, die es PsGalOx nennt.

Das Enzym war jahrelang schwer handhabbar. „Mehrere Jahre lang erwies sich das Enzym als außergewöhnlich schwer in löslicher Form herzustellen und damit auch schwer zu charakterisieren“, sagt Lígia Martins, die das Labor für Mikrobielle und Enzymtechnologie am ITQB NOVA leitet. Entscheidend war AlphaFold, ein KI-System, dessen Strukturvorhersagen dem Team halfen, die ungewöhnliche Architektur des Enzyms zu erkennen und Veränderungen zu identifizieren, die seine Herstellung verbessern könnten. Die bakterielle Variante besitzt neben ihrem katalytischen Modul zwei nahezu identische Zuckerbindungsmodule, ein Merkmal, das den bekanntesten Pilzvarianten fehlt. Tomás Frazão, Doktorand und einer der Erstautoren der Studie, sagt, die beiden Kopien, die etwa 80 % Sequenzidentität aufweisen, hätten unterschiedliche Aufgaben: Das eine verstärkt die Zuckerbindung, das andere trägt vor allem zur Stabilität des Proteins bei. Das Team stellt damit die verbreitete Annahme infrage, solche Module seien austauschbar.

Die Forscher wandten anschließend die gerichtete Evolution an, die im Labor natürliche Selektion nachbildet: Sie führten Mutationen ein und prüften Tausende bakterielle Kolonien auf bessere Varianten. Die ähnlichen Module rekombinierten zu einzelnen Hybridmodulen, und diese Varianten produzierten mehr lösliches Protein. Das Team stellte außerdem fest, dass eine höhere Aktivität nicht unbedingt bedeutete, dass das Enzym ein besserer Katalysator geworden war. Ein großer Teil der Verbesserung ging darauf zurück, dass die Zellen mehr davon herstellten, und diese Erkenntnis war entscheidend für den weiteren Fortschritt. Die endgültige Variante ist bei der Verarbeitung einer Reihe von Zuckern und Alkoholen 40- bis 1.800-mal effizienter.

Für Chemiker und Hersteller bedeutet der Fortschritt einen möglicherweise saubereren Weg zur Herstellung von Zwischenprodukten, die in die Produktion von Lebensmitteln, Arzneimitteln und Werkstoffen einfließen, da die Reaktion unter milden Bedingungen mit Sauerstoff abläuft. Wer wann davon profitiert, ist noch offen. Das Team plant, PsGalOx weiter zu optimieren, damit es auf „Substrate von praktischem Interesse“ wirkt, und strebt ein vielseitig einsetzbares Zwischenprodukt für Lebensmittel, Pharmazeutika und Werkstoffe an. Außerdem will es die evolutionäre Vielfalt bakterieller Oxidasen kartieren. Ein industrieller Partner und ein kommerzieller Termin wurden nicht bekannt gegeben.

Die Grenzen sind klar. Alle Ergebnisse stammen aus Laborarbeiten, die Spanne von 40 bis 1.800 umfasst viele verschiedene Substrate statt eines einzelnen Produkts, und das Enzym wurde bislang in keinem industriellen Verfahren beschrieben. Der nächste Test besteht darin, ob sich dieselben Gewinne bei den Zuckern und Alkoholen bestätigen, die Hersteller tatsächlich benötigen.