Einfluss Ionischer Flüssigkeiten auf Enzym-katalysierte Reaktionen

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Christoph Held
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282610332

Zur Erschließung neuer alternativer Synthesewege in biotechnologischen Produktionsverfahren erlangen enzymkatalysierte Reaktionen eine immer größere Bedeutung. Das Reaktionsgleichgewicht vieler enzymkatalysierter Reaktionen liegt allerdings oft weit auf der Eduktseite, da der Reaktionsumsatz thermodynamisch limitiert ist. Bei solchen gleichgewichtslimitierten Reaktionen werden daher typischerweise Substratkonzentrationen erhöht, um Ausbeuten zu maximieren. Diese Maßnahme ist jedoch oft durch zu geringe Löslichkeiten von besonders hydrophoben Substraten in meist wässrigen Reaktionsmedien nicht oder nur teilweise anwendbar.Durch die Anwesenheit von Ionischen Flüssigkeiten (ILs) im Reaktionsmedium können Umsätze gleichgewichtslimitierter enzymatischer Reaktionen optimiert werden. ILs bieten als Additive zum wässrigen Reaktionsmedium das Potential, das Reaktionsgleichgewicht auf die Produktseite zu verschieben. Unabhängig davon können Substrat-Löslichkeiten im wässrigen Medium durch Anwesenheit von ILs erhöht werden, wodurch Umsatz und Selektivität enzymkatalysierter Reaktionen gezielt verbessert werden können. Des Weiteren können ILs die katalytische Enzymaktivität beeinflussen. Zur Untersuchung des Reaktionsgleichgewichts muss die Enzymaktivität bei den jeweiligen Reaktionsbedingungen (Temperatur, pH-Wert, IL-Art, IL-Konzentration) gewährleistet sein. Einzelne Untersuchungen zu allen drei Effekten existieren bereits in der Literatur, jedoch sind diese bislang nur separat und nicht systematisch betrachtet worden.Dieses Forschungsvorhaben wird durch systematische Untersuchungen den Einfluss von ILs auf Reaktionsgleichgewicht, Substrat-Löslichkeit und Enzymaktivität aufzeigen. Die Eigenschaften werden experimentell bestimmt; Reaktionsgleichgewichte und Substrat-Löslichkeiten werden zudem mit einem thermodynamischen Modell vorhergesagt. Die Enzymaktivität wird für die jeweiligen Reaktionsbedingungen überprüft, um das Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichts zu verifizieren. Für ein besseres Verständnis des IL-Effekts auf die Enzymaktivität wird zudem der Einfluss von ILs auf die thermodynamische Enzymstabilität und auf die Sekundärstruktur der Enzyme der zu untersuchenden Reaktionen vermessen. Um allgemeingültige Forschungsergebnisse zu erzielen, werden zwei verschiedene enzymkatalysierte Reaktionen betrachtet. Außerdem werden vier ILs bezüglich ihres Einflusses auf das Reaktionsgleichgewicht, die Substrat-Löslichkeit und die Enzymaktivität untersucht. Die ILs wurden so gewählt, dass sie sich hinsichtlich Basizität/Hydrophobizität/Molmasse unterscheiden, um den Einfluss dieser Eigenschaften gezielt zu untersuchen.Damit wird das Forschungsvorhaben wesentlich zum systematischen Verständnis des Einflusses von Additiven unterschiedlicher chemischer Natur auf die Thermodynamik enzymkatalysierter Reaktionen beitragen. Darüber hinaus wird es konkrete quantitative Erkenntnisse zum Einsatz von ILs als Additive für biologische Reaktionen geben

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen