Biokatalyse und Biosynthese

Rebecca Buller (ZHAW)

Unter Biokatalyse und Biosynthese versteht man die Anwendung von Enzymen (natürlichen Katalysatoren) oder Mikroorganismen zur nachhaltigen Herstellung von Produkten in Ergänzung zur klassischen chemischen Synthese: Die biologisch abbaubaren Biokatalysatoren können mittels gerichteter Evolution für viele Einsatzgebiete massgeschneidert werden, welche für die traditionelle Chemie eine Herausforderung darstellen. Biokatalyse oder Biosynthese werden bereits in vielen Industrien eingesetzt, so etwa zur Produktion von Feinchemikalien, in der Geschmacks- und Geruchsstoffindustrie oder in der Wirkstoffherstellung. Biokatalyse und Biosynthese sind Hoffnungsträger für die Nutzbarmachung erneuerbarer Rohstoffe und ermöglichen eine grössere Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern.

So sieht es heute aus

In den letzten Jahren wurden signifikante Fortschritte erzielt: Der Nobelpreis für Chemie wurde 2018 an Frances Arnold für die gerichtete Evolution von Enzymen vergeben. Zudem wurden weitere Enzymfamilien industriell nutzbar gemacht und für die Herstellung von Pharmazeutika eingesetzt sowie richtungsweisende industrielle Prozesse entwickelt, in denen mehrere Enzyme hintereinandergeschaltet wurden, um komplexe Produkte herzustellen. Allerdings können regulatorische Vorschriften zum Beispiel für den Einsatz von Enzymen als Hilfsstoffe in der lebensmitteltechnologischen Verarbeitung sowie drohende Einschränkungen des offenen Zugangs zu bioinformatischen Daten die industrielle Nutzung von Biokatalyse und Biosynthese erschweren. Viele Chancen für nachhaltige Entwicklungen, die auf diesen Daten beruhen, blieben ungenutzt.

Grosse Schweizer Unternehmen wie Nestlé und Novartis weiten ihre Kapazitäten in der Biokatalyse, der Biosynthese sowie im Enzymdesign aus und nutzen die Technologie zur Herstellung von Wertprodukten. KMU nutzen die Möglichkeiten der Biokatalyse und Biosynthese noch selten. Um das Problem der limitierten Verfügbarkeit von Fachkräften zu lösen, werden in der Schweiz aktuell neue Studiengänge und Weiterbildungsprogramme entwickelt.

Ein Blick in die Zukunft

Dank verbesserter Verfahren zur gerichteten Enzymevolution und dem verstärkten Einsatz künstlicher Intelligenz werden zusätzliche Enzymklassen industriell zugänglich gemacht und die Zeit bis zur Markteinführung biokatalytisch abgeleiteter Produkte wird verkürzt. Miniaturisierung und Automatisierung sind weitere Treiber in diesem Prozess. Neuartige biokatalytische Prozesse öffnen die Tür für Innovationen im Bereich neuer Wirkstoffe. Biokatalyse und Biosynthese können zu einem Gamechanger in der nachhaltigen Produktion von Chemikalien aus nichterdölbasierten Rohstoffen sowie beim Abbau von Plastikabfall werden.

Die Corona-Krise hat der Schweiz eindrücklich vor Augen geführt, dass sie in Bezug auf die Produktion essenzieller Medikamente nicht selbstversorgend ist. Die Wirkstoffe bzw. die entsprechenden Vorprodukte müssen vor allem aus Asien bezogen werden. Die Schweiz sollte zumindest kleine Mengen lebenswichtiger Medikamente für die Notfallversorgung im Inland produzieren können. In diesem Kontext könnten auch Biokatalyse und Biosynthese eine Rolle spielen. Der Dialog zwischen industriellen und akademischen Partnern ist wesentlich, um den Erfolg von Biokatalyse und Biosynthese weiter zu verstärken. Ein mögliches Instrument für die Schweiz ist die finanzielle Förderung von Netzwerkprojekten, um den Austausch zwischen relevanten Partnern zu ermöglichen. Will eine Firma Biokatalyse und Biosynthese einbinden, lohnen sich Wissensaufbau durch Kollaborationen, Weiterbildung der Belegschaft und entsprechende Anforderungsprofile an personelle Neuzugänge.