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Das Hefe-Orchester und seine Werke

Enzyme spielen die erste Geige, die Zelle ist ein Saal für das gesamte – perfekt eingespielte – Orchester und ForscherInnen wirken als Komponisten? Heraus kommen dabei nicht etwa Töne sonder Düfte! Unser musikalischer Denkansatz veranschaulicht die komplexen Produktionsprozesse in der Biotechnologie anhand eines Beispiels aus dem Aromastoff-Bereich.

Wie ein Uhrwerk greifen biologische Vorgänge ineinander. In gesunden Zellen ist alles in der richtigen Menge zur richtigen Zeit an der richtigen Stelle und sorgt dafür dass das Leben ungestört vor sich hin ticken kann. Dies gilt für unsere eigenen Körper gleichermaßen wie für die kleinsten Lebewesen. Die bemerkenswerten Fähigkeiten von Mikroorganismen nutzen wir gerne in der Biotechnologie, um Dinge zu erzeugen, die wir lieben. So entsteht unser Brot und Gebäck, so flaumig wie wir es kennen, durch den Einsatz von Bäckerhefe. Dass die Hefe genau macht, was sie soll, verdanken wir dem komplexen Zusammenspiel vieler molekularer Maschinen (Proteine, Enzyme). Ein jedes Protein hat seine spezielle Aufgabe: manche sorgen dafür, dass Nährstoffe in die Zelle gelangen, andere klappen chemische Bindungen um, und wieder andere erzeugen Moleküle, die für den typischen Geruch der Hefe verantwortlich sind. Eine Zelle ist wie ein eingespieltes Orchester wenn es etwa darum geht, Produkte wie zum Beispiel Ethanol (Alkohol) in der Bierbrauerei zu erzeugen.

Der „Klang“ der Aromen

Die Werkzeuge der Biotechnologie erlauben uns seit vielen, vielen Jahren,  dem Orchester an Enzymen neue Töne zu entlocken und auf diese Weise die hochwertigsten Produkte herzustellen. Dies haben die Forscher am Institut für Molekulare Biotechnologie der Technischen Universität bereits viele Male gezeigt. So ist es beispielsweise gelungen, Aromen der Grapefruit in Hefen oder den angenehm fruchtig-vanilligen Duft der Heliotropa Blume (Heliotropin) in Bakterien herzustellen.

Performance von Enzym-Solisten

Muss man jedoch gleich ein ganzes Orchester engagieren, um eine einfache Melodie zu spielen? Manche Enzyme funktionieren auch ohne Zellkontext einwandfrei und das sind meistens solche, die ganz simple Reaktionen katalysieren. Wenn nur Wasser als Reaktionspartner benötigt wird, spielt das Enzym die erste (und einzige) Geige. Für das Schlüsselenzym der Heliotropinherstellung gilt dies leider nicht. Dazu braucht es gleich zwei biologische Energieträger (ATP & NADPH). Vor Kurzem noch war es undenkbar, solche Reaktionen außerhalb von Zellen durchzuführen. Wissenschaftlerinnen der Universität Freiburg haben die Instrumente (die Reaktionsbedingungen für zwei Enzyme namens Polyphosphatkinasen) so gestimmt, dass es uns im acib gelungen ist, erstmals isolierbare Mengen des Aldehyds Heliotropin zu gewinnen, ohne dafür lebende Zellen oder große Mengen der teuren Energieträger einzusetzen. Das Orchester bestand aus insgesamt fünf Enzymen und hat unsere Labors mit Blütenduft erfüllt.


Diese Arbeit basiert auf:

Strohmeier GA, Eiteljörg IC, Schwarz A, Winkler M: Enzymatic One-Step Reduction of Carboxylates to Aldehydes with Cell-free Regeneration of ATP and NADPH. 2019, Chemistry 25 (24), p 6119-6123.

Picture credits: Pixabay

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