Einführung in die Enzymtechnologie

362 Pages·2018·23.081 MB·German

by  Karl-Erich Jaeger, Andreas Liese, Christoph Syldatk

Karl-Erich Jaeger
Andreas Liese
Christoph Syldatk Hrsg.
Einführung in
die Enzym-
technologie
Einführung in die Enzymtechnologie
Karl-Erich Jaeger
Andreas Liese
Christoph Syldatk
(Hrsg.)
Einführung in die
Enzymtechnologie
Mit Beiträgen von Marion Ansorge-Schumacher,
Sonja Berensmeier, Dominique Böttcher, Uwe T. Bornscheuer,
Christin Cürten, Jürgen Eck, Silvia Fademrecht, Lutz Fischer,
Matthias Franzreb, Karl-Erich Jaeger, Selin Kara, Andreas Knapp,
Katja Koschorreck, Steffen Kühn, Jan von Langermann,
Andreas Liese, Stephan Lütz, Karl-Heinz Maurer,
Alexander Pelzer, Lorenzo Pesci, Jürgen Pleiss,
Arshak Poghossian, Jessica Rehdorf, Anett Schallmey,
Michael J. Schöning, Jenny Schwarz, Antje C. Spieß,
Timo Stressler, Christoph Syldatk, Vlada B. Urlacher, Jan Volmer
Hrsg.
Karl-Erich Jaeger Christoph Syldatk
Institut für Molekulare Enzymtechnologie Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik
Heinrich-Heine-Universität Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Düsseldorf und Forschungszentrum Karlsruhe, Baden-Württemberg
Jülich GmbH Jülich, Deutschland Deutschland
Andreas Liese
Institut für Technische Biokatalyse
TU Hamburg
Hamburg, Deutschland
ISBN 978-3-662-57618-2 ISBN 978-3-662-57619-9 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-57619-9
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V
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung in die Enzymtechnologie ....................................... 1
Karl-Erich Jaeger, Andreas Liese und Christoph Syldatk
1.1 Das Arbeitsgebiet der Enzymtechnologie ........................................ 2
1.2 Die Entwicklung der Enzymforschung ........................................... 3
1.3 Die moderne Enzymforschung .................................................. 5
1.4 Enzyme als Biokatalysatoren .................................................... 7
1.5 Industrielle Anwendungen von Enzymen ........................................ 10
Literatur ........................................................................ 13
I Grundlagen
2 Enzymstruktur und -funktion ............................................... 17
Vlada B. Urlacher und Katja Koschorreck
2.1 Struktur von Enzymen ........................................................... 18
2.2 Funktion von Enzymen .......................................................... 23
Literatur ........................................................................ 33
3 Enzymmodellierung: von der Sequenz zum Substratkomplex ........... 35
Silvia Fademrecht und Jürgen Pleiss
3.1 Untersuchung des Proteinsequenzraums ........................................ 37
3.2 Strukturmodellierung ........................................................... 41
3.3 Molekulares Docking ............................................................ 45
3.4 Mechanistische Modelle von Proteinstruktur und -dynamik ...................... 49
3.5 Ausblick: Integration von mechanistischer und kinetischer Modellierung ......... 51
Literatur ........................................................................ 51
4 Enzymkinetik ................................................................. 53
Lorenzo Pesci, Selin Kara und Andreas Liese
4.1 Grundbegriffe der chemischen Katalyse ......................................... 54
4.2 Homogene, heterogene und enzymatische Katalyse: Unterschiede und
Gemeinsamkeiten ............................................................... 58
4.3 Enzymkinetik-Modelle .......................................................... 59
4.4 Bestimmung der kinetischen Konstanten ........................................ 64
4.5 Enzyminhibierung .............................................................. 69
Literatur ........................................................................ 74
5 Enzymreaktoren und Prozessführung ...................................... 77
Steffen Kühn und Andreas Liese
5.1 Parameter zur Beschreibung idealer Reaktoren .................................. 79
5.2 Typen idealer Enzymreaktoren .................................................. 83
5.3 Mathematische Bilanzierung idealer Reaktoren .................................. 86
VI Inhaltsverzeichnis
5.4 Reaktorauswahl und Prozessführung ............................................ 92
5.5 Beispiele industrieller enzymatischer Prozesse ................................... 95
Literatur ........................................................................ 100
II Methoden
6 Enzymidentifizierung und Screening: aktivitätsbasierte Methoden. . . . . 105
Jessica Rehdorf, Alexander Pelzer und Jürgen Eck
6.1 Das „ideale“ Enzym .............................................................. 106
6.2 Ressourcen für die Enzymidentifizierung ........................................ 108
6.3 Aktivitätsbasierte Identifizierung eines „idealen“ Enzyms ........................ 110
6.4 Fazit und Herausforderungen ................................................... 122
Literatur ........................................................................ 123
7 Bioinformatische Methoden zur Enzymidentifizierung ................... 125
Anett Schallmey
7.1 Sequenzanalyse und Genidentifizierung ......................................... 126
7.2 Homologiesuche ................................................................ 128
7.3 Multiples Protein-Sequenzalignment ............................................ 130
7.4 Phylogenetische Analysen ....................................................... 131
7.5 Beispiel: Identifizierung neuer Halohydrindehalogenasen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Literatur ........................................................................ 140
8 Optimierung von Enzymen .................................................. 141
Dominique Böttcher und Uwe T. Bornscheuer
8.1 Strategien zur Optimierung von Enzymen ....................................... 142
8.2 Methoden zur Erzeugung einer Mutantenbibliothek ............................. 144
8.3 Screening und Selektion ........................................................ 148
8.4 Erfolgreiche Beispiele für optimierte Biokatalysatoren ........................... 149
Literatur ........................................................................ 149
9 Produktion von Enzymen .................................................... 151
Andreas Knapp und Karl-Erich Jaeger
9.1 Wahl des Wirtsorganismus ...................................................... 152
9.2 Produktion in Eukaryoten oder Prokaryoten ..................................... 156
9.3 Wahl des Expressions- und Regulationssystems .................................. 162
9.4 Die Proteinproduktion kann auf jeder Ebene der Proteinbiosynthese
modifiziert und optimiert werden ............................................... 163
Literatur ........................................................................ 168
10 Enzymreinigung .............................................................. 171
Sonja Berensmeier und Matthias Franzreb
10.1 Kenngrößen .................................................................... 172
10.2 Prozessentwicklung ............................................................. 174
10.3 Fazit ............................................................................ 185
Literatur ........................................................................ 185
VII
Inhaltsverzeichnis
11 Enzymimmobilisierung ...................................................... 187
Marion B. Ansorge-Schumacher
11.1 Methodische Prinzipien ......................................................... 188
11.2 Molekulare und physikalisch-chemische Effekte ................................. 199
11.3 Kenngrößen .................................................................... 200
11.4 Methodenwahl .................................................................. 203
Literatur ........................................................................ 206
12 Enzymatische Reaktionen in ungewöhnlichen Reaktionsmedien ........ 207
Christoph Syldatk
12.1 Enzymatische Reaktionen mit Verwendung organischer Lösungsmittel ........... 209
12.2 Ionische Flüssigkeiten, stark eutektische Lösungen und superkritische
Fluide als Reaktionsmedien für enzymatische Reaktionen ........................ 215
12.3 Enzymatische Reaktionen unter lösungsmittelfreien Bedingungen ............... 221
12.4 Fazit und Ausblick ............................................................... 222
Literatur ........................................................................ 222
III Anwendungen
13 Prinzipien der angewandten Biokatalyse .................................. 225
Selin Kara und Jan von Langermann
13.1 Cofaktorabhängige Biotransformationen ........................................ 226
13.2 Ansätze für die Substratdosierung ............................................... 232
13.3 Ansätze für die Produktentfernung .............................................. 235
13.4 Ansätze für die Deracemisierung ................................................ 239
13.5 Fazit und Perspektiven .......................................................... 241
Literatur ........................................................................ 241
14 Enzyme in der chemischen und pharmazeutischen Industrie ............ 243
Jenny Schwarz, Jan Volmer und Stephan Lütz
14.1 Ursprünge der Enzymnutzung in der chemischen und pharmazeutischen
Industrie ........................................................................ 245
14.2 Enzyme in der chemischen Industrie ............................................. 248
14.3 Enzyme in der pharmazeutischen Industrie ...................................... 253
14.4 Fazit ............................................................................ 264
Literatur ........................................................................ 264
15 Enzyme zum Abbau von Biomasse .......................................... 265
Christin Cürten und Antje C. Spieß
15.1 Zusammensetzung der Biomasse ................................................ 266
15.2 Cellulasen ....................................................................... 268
15.3 Zusätzliche Enzyme zum Biomasseabbau ........................................ 272
15.4 Vorbehandlung der Biomasse ................................................... 276
15.5 Prozessführung ................................................................. 278
Literatur ................................................................................ 281
VIII Inhaltsverzeichnis
16 Enzyme in der Lebensmittelherstellung und -verarbeitung .............. 283
Lutz Fischer und Timo Stressler
16.1 Enzyme in der Lebensmittelindustrie ............................................ 284
16.2 Oxidoreduktasen ................................................................ 287
16.3 Transferasen .................................................................... 289
16.4 Hydrolasen ..................................................................... 291
16.5 Lyasen .......................................................................... 297
16.6 Isomerasen ..................................................................... 298
16.7 Ligasen ......................................................................... 299
16.8 Fazit ............................................................................ 300
Literatur ........................................................................ 300
17 Enzyme in Wasch- und Reinigungsmitteln ................................. 303
Karl-Heinz Maurer
17.1 Produktion der Enzyme ......................................................... 305
17.2 Produktion von enzymhaltigen Wasch- und Reinigungsmitteln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
17.3 Proteasen ....................................................................... 309
17.4 Amylasen ....................................................................... 314
17.5 Cellulasen ....................................................................... 315
17.6 Mannanasen .................................................................... 317
17.7 Lipasen ......................................................................... 317
17.8 Pectat-Lyasen ................................................................... 318
17.9 Nachhaltigkeitsaspekte ......................................................... 319
17.10 Fazit und Ausblick ............................................................... 320
Literatur ........................................................................ 321
18 Enzyme und Biosensorik ..................................................... 323
Michael J. Schöning und Arshak Poghossian
18.1 Chemo- und Biosensoren ........................................................ 324
18.2 Elektrochemische Enzym-Biosensoren ........................................... 328
18.3 Der Blick über den „Tellerrand“ – alternative Transduktorprinzipien
und Biomoleküle ................................................................ 339
18.4 Fazit und Ausblick ............................................................... 343
Literatur ........................................................................ 347
19 Therapeutische Enzyme ..................................................... 349
Christoph Syldatk
19.1 Äußerliche Anwendungen therapeutischer Enzyme .............................. 352
19.2 Orale Anwendungen von Enzymen .............................................. 352
19.3 Intravenöse Anwendungen therapeutischer Enzyme ............................. 353
19.4 Fazit und Ausblick ............................................................... 356
Literatur ........................................................................ 358
Serviceteil
Sachverzeichnis ................................................................. 361
IX
Herausgeber und Autorenverzeichnis
‐
Marion B. Ansorge-Schumacher Silvia Fademrecht
Bereich Mathematik & Naturwissenschaften – Institut für Biochemie und
Institut für Mikrobiologie – Professur für Technische Biochemie
Molekulare Biotechnologie Universität Stuttgart
Technische Universität Dresden Stuttgart, Deutschland
Dresden, Deutschland
[email protected] Lutz Fischer
Institut für Lebensmittelwissenschaft und
Sonja Berensmeier Biotechnologie, Fachgebiet Biotechnologie
Fakultät für Maschinenwesen und Enzymwissenschaft
Professur für Selektive Trenntechnik Universität Hohenheim
Technische Universität München Stuttgart, Deutschland
Garching, Deutschland [email protected]
[email protected]
Matthias Franzreb
Uwe T. Bornscheuer Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG)
Institut für Biochemie, Arbeitskreis KIT – Karlsruher Institut für Technologie
Biotechnologie und Enzymkatalyse Eggenstein-Leopoldshafen, Deutschland
Universität Greifswald [email protected]
Greifswald, Deutschland
[email protected] Karl-Erich Jaeger
Institut für Molekulare Enzymtechnologie
Dominique Böttcher Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und
Institut für Biochemie, Arbeitskreis Forschungszentrum Jülich GmbH
Biotechnologie und Enzymkatalyse Jülich, Deutschland
Universität Greifswald [email protected]
Greifswald, Deutschland
[email protected] Selin Kara
Department of Engineering, Biocatalysis and
Christin Cürten Bioprocessing Group
AVT - Aachener Verfahrenstechnik Lehrstuhl für Aarhus University
Enzymprozesstechnik Aarhus, Dänemark
RWTH Aachen University [email protected]
Aachen, Deutschland
[email protected] Andreas Knapp
Institut für Molekulare Enzymtechnologie
Jürgen Eck Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf im
B.R.A.I.N Aktiengesellschaft Forschungszentrum Jülich
Zwingenberg, Deutschland Jülich, Deutschland
[email protected] [email protected]
X Herausgeber‐ und Autorenverzeichnis
Katja Koschorreck Jürgen Pleiss
Lehrstuhl für Biochemie II Institut für Biochemie und Technische
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Biochemie
Düsseldorf, Deutschland Universität Stuttgart
[email protected] Stuttgart, Deutschland
[email protected]
Steffen Kühn
Institut für Technische Biokatalyse Arshak Poghossian
TU Hamburg (TUHH) Institut für Nano- und Biotechnologien (INB)
Hamburg, Deutschland FH Aachen – Jülich
[email protected] Jülich, Deutschland
[email protected]
Jan von Langermann
Institut für Chemie Jessica Rehdorf
Universität Rostock B.R.A.I.N Aktiengesellschaft
Rostock, Deutschland Zwingenberg, Deutschland
[email protected] [email protected]
Andreas Liese Anett Schallmey
TU Hamburg Institut für Biochemie, Biotechnologie und
Technische Universität Hamburg TUHH Bioinformatik
Hamburg, Deutschland Technische Universität Braunschweig
[email protected] Braunschweig, Deutschland
[email protected]
Stephan Lütz
Bio- und Chemieingenieurwesen, Lehrstuhl Jenny Schwarz
Bioprozesstechnik Bio- und Chemieingenieurwesen, Lehrstuhl
TU Dortmund Bioprozesstechnik
Dortmund, Deutschland TU Dortmund
[email protected] Dortmund, Deutschland
[email protected]
Karl-Heinz Maurer
AB Enzymes GmbH Michael J. Schöning
Darmstadt, Deutschland Institut für Nano- und Biotechnologien (INB)
[email protected] FH Aachen – Jülich
Jülich, Deutschland
Alexander Pelzer [email protected]
B.R.A.I.N Aktiengesellschaft
Zwingenberg, Deutschland Antje C. Spieß
[email protected] Institut für Bioverfahrenstechnik (ibvt)
TU Braunschweig
Lorenzo Pesci Braunschweig, Deutschland
Institut für Technische Biokatalyse [email protected]
TU Hamburg
Hamburg, Deutschland
[email protected]