„Die Natur ist die beste Chemikerin: Sie hat Syntheseprozesse entwickelt, die an Spezifität und Effizienz nicht zu übertreffen sind“, schwärmt Kateryna Lypetska. Die 34-jährige Wissenschafterin aus der Ukraine forscht an der TU Graz intensiv daran, natürliche Syntheseprozesse zu verstehen und für die industrielle Produktion zu optimieren. „Mit der Weiterentwicklung molekularbiologischer und gentechnischer Methoden eröffnen sich immer mehr Möglichkeiten, maßgeschneiderte biokatalytische Stoffumwandlungen durchzuführen“, so die Hertha-Firnberg-Stipendiatin, die am Institut für Organische Chemie beschäftigt ist.
Enzyme als universale Wirkstoffe
Das Forschungsgebiet von Kateryna Lypetska ist die Biokatalyse, bei der Enzyme chemische Reaktionen beschleunigen oder überhaupt erst starten. Enzyme sind die universalen „Arbeiter“ in Zellen. Sie kommen in allen Lebewesen vor – vom Mikroorganismus bis zum Menschen. Es gibt zigtausend verschiedene Enzyme, die effektiv und präzise arbeiten: Sie wirken auf genau definierte Gruppen von Molekülen, die sie an bestimmten Stellen in einer spezifischen Weise modifizieren. Enzym und Substrat passen ineinander wie der Schlüssel ins Schloss. „Im Gegensatz zu ‚traditionellen‘ chemischen oder physikalischen Katalysatoren, die in der Industrie eingesetzt werden, sind Enzyme Werkzeuge einer sanften Chemie“, so Kateryna Lypetska. „Sie reagieren in wässrigen Lösungen, ohne Hochdruck und meistens bei Raumtemperatur.“
Großes Potenzial für die Industrie
Für die pharmazeutische Produktion liegt das Potenzial der Biokatalyse in der Entwicklung neuer Prozesse mit hochspezifischen Produktumwandlungen, die sowohl energie- und ressourcenschonend arbeiten als auch wenig Abfallstoffe produzieren. Denn nicht alle traditionellen chemischen und physikalischen Katalysatoren arbeiten wirklich effizient und umweltfreundlich. Neben dem gewünschten Produkt entstehen zum Beispiel Nebenprodukte als Abfall, die häufig kostenaufwendig entsorgt werden müssen oder sogar umweltschädlich sind. Zudem entfalten diese Katalysatoren ihre Wirkung oft erst bei hohen Temperaturen.
Biokatalyse für „reine“ Pharmazeutika
Die Biokatalyse mittels Enzymen ist nicht nur umweltfreundlicher, sondern hat auch einen weiteren wesentlichen Vorteil: Die Mehrheit der traditionellen Katalysatoren wirkt nicht hochselektiv. Neben dem gewünschten Molekül liegt in bestimmten Anteilen auch sein „Spiegelbild“ vor, das in chemischen Reaktionen anders reagiert und so – insbesondere beim Einsatz als pharmakologische Wirkstoffe – unterschiedlich wirken können. Man spricht hier auch von zwei enantiomeren Formen. Welche Bedeutung es haben kann, wenn zwei enantiomere Formen eines Moleküls in einem Medikament vorhanden sind, zeigt das tragische Beispiel von Contergan in den 1950er-Jahren: Das Pharmazeutikum lag als 1:1-Gemisch beider Enantiomere vor. Später stellte sich heraus, dass ein Enantiomer die gewünschte positive Wirkung als Schlaf- und Beruhigungsmittel hat, das andere Enantiomer allerdings dazu führt, dass Neugeborene mit starken Fehlbildungen zur Welt kommen. In der Natur produzieren Organismen mittels Enzymen aus natürlichen Substraten nur ein Enantiomer. „So können wir mittels Biokatalyse ‚reine‘ Pharmazeutika herstellen, die zu nahezu 100 Prozent nur ein Enantiomer aufweisen“, erklärt Kateryna Lypetska.
Essentielle Grundlagenforschung
Den Forschungsweg in Richtung Biokatalyse hat die studierte Chemikerin im Zuge ihres PhD-Studiums in Graz beschritten. „Nach meinem Masterstudium Chemie an der Lomonosov-Universität Moskau war ich für ein Jahr als Beraterin für die Chemie-Industrie tätig. Doch mir fehlte das ‚Abenteuer Forschung‘ und der Austausch mit gleichgesinnten Forschenden sehr“, so Kateryna Lypetska. Also bewarb sie sich für das internationale Doktoratskolleg „Molecular Enzymology“ an der TU Graz. Ihr PhD-Mentor Herfried Griengl zählt zu den Begründern der Biokatalyse in Graz. „Und er brachte mich zu einer bestimmten Klasse von Enzymen, den sogenannten Threoninaldolasen, an denen ich auch in meinem derzeitigen Hertha-Firnberg-Projekt forsche.“
Threoninaldolasen katalysieren die stereoselektive Synthese von β-Hydroxy-α-Aminosäuren.
„Threoninaldolasen haben ein großes Potenzial für die Zukunft der Biokatalyse, allerdings wird es einige Zeit dauern, bis wir dieses Potenzial auch technologisch nutzen können. Und hier ist die Grundlagenforschung, die ich im Rahmen des Hertha-Firnberg-Stipendiums an der TU Graz durchführen kann, essentiell“, erklärt Kateryna Lypetska. Und holt weiter aus: „Vor Millionen von Jahren waren die Enzyme bei einfachen Organismen ursprünglich nicht selektiv, und ein Enzym konnte mehrere Reaktionen katalysieren. Im Laufe der Evolution wurde der Aufbau der Organismen immer raffinierter, und damit haben sich auch die Enzyme mehr und mehr auf bestimmte Moleküle spezialisiert.“
Um Threoninaldolasen biotechnologisch nutzen und sie sogar für neue Substrate optimieren zu können, analysiert Kateryna Lypetska die natürliche Evolution der Enzyme mit Werkzeugen der Bioinformatik. Mit Hilfe von gentechnischen Methoden stellt sie dann im Labor innerhalb weniger Monate das nach, was die Evolution in Millionen von Jahren gemeistert hat.
Im Zuge des Masterstudiums Chemie/Biokatalyse gibt es für Studierende die Möglichkeit, in der Arbeitsgruppe von Kateryna Lypetska eine Bachelor- oder Masterarbeit zu absolvieren. Weitere Informationen zum Forschungsgebiet erhalten Sie auf der Website des Instituts für Organische Chemie der TU Graz oder direkt bei Kateryna Lypetska.
An der TU Graz ist dieses Forschungsthema im Field of Expertise "Human & Biotechnology" verankert, einem von fünf strategischen Forschungsschwerpunkten.
