Gentechnik in der Enzymherstellung Die natürliche Knappheit überwunden

Bis vor einiger Zeit begrenzte die Knappheit des natürlichen Angebots eine wirtschaftliche Verwendung isolierter Enzyme. Ihre chemische Synthese ist wegen der komplizierten Molekülstruktur kaum möglich. Zudem werden unter natürlichen Bedingungen Enzyme meist nur in geringen Konzentrationen gebildet. Lange Zeit waren Enzyme für eine breite Anwendung in Massenprodukten viel zu teuer.

Das Nadelöhr der knappen Verfügbarkeit ist längst überwunden. Inzwischen wird eine Vielzahl von Enzymen biotechnisch gewonnen. Verschiedene Mikroorganismen - Bakterien, Hefen, Schimmelpilze - sind darauf gezüchtet worden, die für ihren eigenen Stoffwechsel benötigten Enzyme in großen Mengen auszuschütten. Dadurch wurde ihr technischer Einsatz allmählich interessant. Doch der ganz große Durchbruch kam erst mit der Gentechnologie.

Biotechnische Herstellung von Enzymen in Fermentern. (Foto: Novozymes)

Wie alle Proteine sind auch die Enzyme große Moleküle, die aus vielen aneinander gereihten Aminosäuren bestehen und die in einer bestimmten Weise zu einer komplizierten räumlichen Struktur gefaltet sind. Erst diese Faltung verleiht dem Enzym seine spezifische Wirkung. Die "Bauanleitung" für ein Enzym ist in jeweils einem Gen festgelegt. Die Möglichkeiten einer gezielten Gen-Übertragung eröffnen der Enzymtechnologie neue Perspektiven: Im Prinzip kann nun jeder Mikroorganismus jedes Enzym in unbegrenzter Menge bilden.

Effektive Mikroorganismen durch Gentechnik.

Bei der gentechnischen Bearbeitung der enzymbildenden Mikroorganismen sind verschiedene Ansätze und Strategien möglich. Ziel ist es, das gewünschte Enzym in einem wirtschaftlichen Verfahren zu produzieren. Als Produktionsstämme sollen Mikroorganismen eingesetzt werden, die aus langer Erfahrung als sicher gelten.

• Optimierung enzymproduzierender Mikroorganismen
  Es werden solche Mikroorganismen verändert, die das gewünschte Enzym von Natur aus bilden - wenn auch in geringen Konzentrationen. Durch eine Vervielfältigung des Enzym-Gens, das Vorschalten neuer "starker" Startsignale oder das Abschalten der natürlichen Regulation kann die Enzymmenge extrem gesteigert werden. Bei diesem Ansatz (homologer Gentransfer) werden nur Gene aus der jeweiligen Art übertragen oder neu arrangiert. 
  Ein Beispiel für diesen Ansatz sind etwa Xylanasen.
• Transfer von Enzym-Genen auf Mikroorganismen
  Es werden Enzym-Gene isoliert und auf andere Mikroorganismen übertragen, welche das gewünschte Enzym von Natur aus nicht bilden können. Erst das neue Gen stimuliert eine Enzymausschüttung. Mit einer begrenzten Zahl von Produktionsstämmen können somit verschiedene Enzyme hergestellt werden - je nach Gen, das in ihr Erbgut eingefügt worden ist. Artgrenzen stellen bei der Gen-Übertragung kein Hindernis dar (heterologer Gentransfer).
  Dieser Ansatz bietet sich an, wenn es in der Natur keine  mikrobiellen Produzenten des gewünschten Enzyms gibt - wie etwa beim Chymosin, das nur von Zellen im Magen von Kälbern gebildet wird. Mit dem Transfer des jeweiligen Gens kann die Produktion eines bestimmten Enzyms  in solche Mikroorganismen "verlagert" werden, die als sicher bekannt sind und die einfach in technischen Anlagen (Fermentern) kultiviert werden können.
• Optimierung der Enzyme (Protein Engineering).
  Bisher wird die Gentechnik angewandt, um bekannte Enzyme mit neuen Verfahren möglichst "naturgetreu" herstellen zu können.
  Inzwischen wird daran gearbeitet, über gezielte Veränderung am jeweiligen Gen ein Enzym an den jeweiligen Verwendungszweck anzupassen. Man kann etwa ein Enzym so verändern, dass es auch unter den "ungewohnten" technischen Bedingungen (Temperatur, Säure usw.) eines Produktionsprozesses funktioniert, unter denen es sonst wenig Wirkung entfaltet.
  Noch steckt das "Enzym Design" im Experimentierstadium - doch die ersten dieser "optimierten" Enzyme werden in Waschmitteln kommerziell eingesetzt. Anwendungen im Lebensmittelbereich stehen bevor. 

Enzyme: Schub durch Gentechnik.

Die Gentechnik hat der Enzymtechnologie einen starken Schub versetzt: Sie verbilligt nicht nur deren Herstellung, sondern eröffnet neue Möglichkeiten auch dort, wo enzymatische Verfahren sich bislang nicht lohnten oder keinen Erfolg hatten. Novozymes, der weltweit größte Enzymhersteller vermutet: "Es ist davon auszugehen, dass alle Enzyme, die in der Lebensmittelherstellung eingesetzt werden, in wenigen Jahren mit Hilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen hergestellt werden. Gründe hierfür sind die höhere Reinheit und die höhere Ausbeute der gewonnenen Enzyme, die Kostensenkung in der Produktion und die Ressourcenschonung."

Heute werden unzählige Enzyme bereits mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen produziert. Sie werden in der Lebensmittelverarbeitung, als Futtermittelzusatz, in der Stärke-, Textil-, Leder-, Papier- und der Kosmetikindustrie eingesetzt.

Mehr bei TransGen:

• TransGen-Datenbank: Enzyme, bei denen gentechnische Anwendungen möglich sind