Einführung in die Enzymtechnologie PDF
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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 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. 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Springer Spektrum ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany 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]
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