Wissenschaft & Forschung

Prof.Dr.

Natürlich vorkommende Biomaterialien entstehen alle unter Standardbedingungen in wässriger Umgebung – ein Vorbild für umweltverträglichere Kunststoffe. Ein Beispiel für ein solches neuartiges Material ist ein Mineralkunststoff aus Calciumcarbonat und Polyacrylsäure.
Als Vorlage für unseren Mineralkunststoff dienten natürlich vorkommende Biomineralien mit Hybridstruktur aus organischer Matrix und amorphen Mineralien, wie sie in der Schale von Garnelen vorkommen.7) Darin mineralisieren die anorganischen Mineralien in der organischen polymeren Matrix. Dieser Prozess lässt sich synthetisch nachahmen: Wird eine Natriumcarbonatlösung in ein Calciumchlorid-Polyacrylsäure-Gemisch (100 kg · mol–1) getropft, fällt binnen weniger Minuten ein Hydrogel als weiße, verformbare Masse aus. Hydrogele sind dreidimensionale Netzwerke aus Polymeren, die kovalent oder physikalisch miteinander verknüpft sind. Sie enthalten zwar Wasser, sind darin aber nicht löslich. Wegen seiner hydrophilen Komponenten kann das Netzwerk bis zu einem Gleichgewichtsvolumen quellen, wobei die Form weitgehend erhalten bleibt.9) Das Gleichgewichtsvolumen ist das maximale Volumen des gequollenen Gels; ab einem gewissen Volumen nimmt das Gel genauso viel Wasser auf, wie es in der gleichen Zeit abgibt.Durch das Natriumcarbonat bilden sich amorphe Calciumcarbonat(ACC)-Nanopartikel, welche die Polyacrylsäure(PAA)-Ketten miteinander vernetzen; das ACC-PAA-Hydrogel fällt aus. Diese Hydrogelform des Mineralkunststoffs ist plastisch beliebig verformbar, dehnbar und selbstheilend (Abbildung 1).8)<figure><img src="https://media.graphcms.com/Pa8st2BaQTCE8MYGjxbf"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Oben: Bildung des Mineralkunststoffs aus amorphem Calciumcarbonat (ACC) und Polyacrylsäure (PAA). Unten: Mit Wasser gequollener Mineralkunststoff liegt als Hydrogel vor. Das Hydrogel ist selbstheilend, plastisch verformbar und kann frei stehende Formen bilden.8)</figcaption></figure>
<h2>Selbstheilung, Form und Recycling</h2>Die Selbstheilung dauert unabhängig von der Größe des Risses nur wenige Sekunden, das Material kann sogar in zwei Teilen vorliegen. Die schnelle Heilung resultiert aus der amorphen Struktur: Die Polyacrylsäureketten sind wegen der Calciumcarbonat-Nanopartikel nichtkovalent gebunden und bilden daher nach einem von außen bewirkten Bindungsbruch leicht neue Bindungen, etwa durch Coulomb-Wechselwirkungen zwischen Ca2+-Ionen und anionischen Carboxylatgruppen der organischen Matrix. Daher fügen sich zwei Teile des Hydrogels unmittelbar zusammen und sind sofort belastbar (Abbildung 2).<figure><img src="https://media.graphcms.com/KD4EjQN0TmKLItUtc0bt"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Zwei Teile des Mineralkunststoffs werden in Kontakt gebracht und verbinden sich instantan, sodass sie zugbelastbar sind.8)</figcaption></figure>
Wird das Hydrogel getrocknet, behält der Kunststoff die Form bei, die er in gequollenem Zustand angenommen hat. Er ist fünf- bis sechsmal härter als sein natürliches Vorbild und als konventionelles Plastik wie Acrylglas, das auf Polymethylmethacrylat basiert.Im Gegensatz zu Polymeren wie PE ist der Mineralkunststoff nicht brennbar, da sein Mineralanteil bis zu 42 Massenprozent beträgt (Abbildung 3).<figure><img src="https://media.graphcms.com/7x08RU51RamcULlymRoF"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Konventionelle Kunststofffolie aus PE brennt leicht (links), Mineralkunststoff ist aufgrund des hohen Mineralanteils nicht brennbar (rechts). Bei höheren Temperaturen zersetzt sich die organische Matrix (Schwarzfärbung).</figcaption></figure>
Der Kunststoff lässt sich nach mehrstündigem Einweichen in Wasser komplett wiederverwerten. Der Zyklus aus Trocknung und Quellung ist mindestens zwanzig Mal wiederholbar, ohne dass die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt würden, wie Rasterelektronenmikroskopie zeigt: Nach dem Trocknen sind auf der Oberfläche keine Risse zu erkennen.<h2>Eigenschaften und Anwendungen</h2>Der Mineralkunststoff lässt sich bei Raumtemperatur synthetisieren, entionisiertes Wasser dient als Lösungsmittel. Dadurch lässt sich das Material nahezu überall herstellen. Sowohl Edukte als auch Produkt sind gesundheitlich unbedenklich.Der Kunststoff eignet sich als Matrix für kleinere Moleküle oder Partikel. Wird etwa 10,12-Pentacosadiinsäure (PCDS) in die Calciumchlorid-Polyacrylsäure-Lösung gegeben, integriert der Kunststoff PCDS-Vesikel. Anschließend wird mit UV-Licht bestrahlt, wobei die Säure zu Polydiacetylen (PDA) polymerisiert. Durch Erwärmen wechselt die Farbe irreversibel von Blau nach Rot (Abbildung 4).10,11)<figure><img src="https://media.graphcms.com/PXQBYXaXQhm0F916ba5B"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Mineralkunststoff, nachdem Thermochromie durch 10,12-Pentacosadiinsäure eingeführt wurde. Im ersten Schritt wird das Additiv mit UV-Strahlung polymerisiert und färbt sich blau. Anschließendes Erhitzen sorgt für einen irreversiblen Farbwechsel zu Rot.8)</figcaption></figure>
Da das Hydrogel nur über reversible Coulomb-Bindungen nichtkovalent vernetzt ist, lässt es sich in jede beliebige Form bringen und auch zu dünnen Fasern ziehen. Das bietet sich für Dichtungsmaterial in Feuchtbereichen an, etwa im Schwimmbad oder auch unter Wasser.Gefriertrocknen des Hydrogels liefert einen porösen Kunststoff, der sich etwa mit Wirkstoffen wie Medikamenten oder Dünger beladen lässt. Quillt das Polymer anschließend in Wasser, entsteht wieder das Hydrogel. Dabei schließen sich die Poren, und das Material setzt den Wirkstoff nach und nach frei. Ließe sich das Hydrogel aufschäumen – was noch nicht untersucht ist – könnte es nach dem Trocknen als nicht brennbarer Isolierstoff dienen.Der getrocknete Kunststoff ist säurelöslich, hart und transparent; er eignet sich für Anwendungen in Trockenbereichen. Da er sich problemlos einfärben lässt, ließen sich Gehäuse für elektronische Geräte daraus fertigen. Bekämen diese einen Riss, würde sich dieser durch Auftragen eines Wassertropfens schließen, da sich lokal die selbstheilende Hydrogelform bildet.Wegen der einfachen Synthese und beliebigen Formbarkeit könnten Teile aus Mineralkunststoff spontan benötigte Kunststoffteile selber hergestellt werden. Die Luftfeuchtigkeit in unseren Breitengraden beeinflusst den Kunststoff nicht. Da zur Synthese nur großtechnisch hergestellte Produkte in Wasser gemischt werden, lässt sich die Herstellung einfach kommerzialisieren: PAA kostet bei Großbestellungen etwa 500 US-Dollar pro Tonne, ein Kilogramm Mineralkunststoff lässt sich damit für weniger als einen Euro herstellen.<h2>Quergelesen</h2>Wird eine Na2CO3-Lösung in ein Gemisch aus CaCl2 und Polyacrylsäure getropft, fällt binnen weniger Minuten ein Mineralkunststoff in Hydrogelform aus.Die Polyacrylsäureketten sind darin durch Calciumcarbonatnanopartikel nichtkovalent gebunden. Daraus ergeben sich selbstheilende Eigenschaften.Die Hydrogelform eignet sich etwa als Dichtungsmaterial für feuchte Räume; aus der trockenen Form lassen sich Gehäuse für elektronische Geräte formen.<h2>Die Kunststoffproblematik</h2>Jährlich werden schätzungsweise weltweit über 300 Millionen Tonnen Plastik produziert.1) Kunststoffe sind gute Isolatoren für Wärme und Strom, haben eine geringe Dichte, sind flexibel und chemisch beständig.2) Durch Variation ihrer Zusammensetzung oder durch Additive lassen sich die Materialeigenschaften ändern und an verschiedene Einsatzbereiche anpassen. Der weltweit gebräuchlichste Kunststoff ist Polyethylen (PE),1) aus ihm bestehen Verpackungen, Spielzeuge, Flaschen und Plastiktüten.Gute Haltbarkeit und chemische Beständigkeit haben jedoch auch Nachteile: Etliche gebräuchliche Kunststoffe sind erst nach hunderten Jahren abgebaut.3,4) Das belastet die Umwelt, insbesondere Gewässer: Hier bilden sich Müllinseln aus großen Plastikteilen (Abbildung), und Mikroplastik verteilt sich mit der Strömung.Mechanische Einwirkungen und UV-Strahlung zerkleinern größere Plastikteile zu Kunststoffteilchen in Mikro- bis Nanometergröße. Kleinstlebewesen nehmen Mikroplastik auf, das so in die Nahrungskette gelangt. Die Folgen für unsere Gesundheit sind bisher unklar. Die größte Gefahr für den Menschen ist allerdings nicht Mikroplastik selbst, sondern die organischen gesundheitsgefährdenden Stoffe in den Gewässern, die der Kunststoff aufnimmt.5)Kunststoff zu recyclen, ist energieaufwendig: Die typische Verarbeitungstemperatur beträgt 300 °C.6)Ideal wäre, Kunststoffe bei Raumtemperatur unter Umgebungsbedingungen in Wasser zu synthetisieren und zu recyclen. Ein Mineralkunststoff aus Calciumcarbonat und Polyacrylsäure hat diese Vorteile.<h2>Vitakasten</h2>David Schupp studiert seit dem Jahr 2011 an der Universität Konstanz Chemie. 2014 beendete er sein Bachelorstudium mit einer Studie über die Dynamik von hochmolekularen Polymeren mit Elektronenspinresonanzspektroskopie unter der Leitung von Malte Drescher. Derzeit arbeitet er an seiner Masterarbeit über adaptive Hydrogele in der Arbeitsgruppe von Helmut Cölfen.<div><img src="https://media.graphcms.com/x3aQ8QxQFOLJGEnIe4YQ">

</div>Helmut Cölfen ist seit 2010 Professor für Physikalische Chemie in Konstanz und Sprecher des im Jahr 2016 neu eingerichteten Sonderforschungsbereichs 1214. Seine Forschungsinteressen liegen im Bereich klassischer und nichtklassischer Kristallisation, Synthese funktionaler Polymere und Polymer- und Nanopartikelanalytik. Thomson Reuters und Times Higher Education zählten ihn zu den Top-100-Chemikern weltweit in den Jahren 2000 bis 2010. Er ist Chefredakteur von Crystals und Co-Redakteur mehrerer anderer Zeitschriften.<div><img src="https://media.graphcms.com/iN9dInvWSF6lc1BUpCwo">

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<ul><h2>Literatur und Quellen</h2><li>
1 PlasticsEurope (PEMRG)/Consultic (Plastics – the Facts 2016), 2016, abrufbar unter <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.plasticseurope.org/Document/plastics---the-facts-2016–15787.aspx?FolID=2" target="_blank">www.plasticseurope.org/Document/plastics---the-facts-2016–15787.aspx?FolID=2</a></ext-link></li><li>
2 R. Young, P. Lovell, Introduction to Polymers [Hrsg.: Taylor &amp; Francis Group], 3. Auflage, CRC Press, Boca Raton, 2011.</li><li>
3 C. Vasile, Handbook of polyolefins synthesis and properties [Hrsg.: C. Vasile, R. B. Seymour], Marcel Dekker , New York, 1993.</li><li>
4 J-D. Gu, International Biodeterioration &amp; Biodegradation 2003, 52, 69–91.</li><li>
5 M. Browne, S. Niven, T. Galloway, S. Rowland, R. Thompson, Current Biology 2013, 23, 2388–2392.</li><li>
6 C. Jaroschek, Spritzgießen für Praktiker, Carl-Hanser-Verlag, München, 2003.</li><li>
7 A. Mikkelsen, S. B. Engelsen, H. C. B. Hansen, O. Larsen, L. H. Skibsted, J. Cryst. Growth 1997, 177, 125–134.</li><li>
8 S. Sun, L. Mao, Z. Lei, S. Yu, H. Cölfen, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 11765–11769.</li><li>
9 P. Hiemenz, T. Lodge, Polymer Chemistry [Hrsg.: Taylor &amp; Francis Group], 2. Auflage, CRC Press, Boca Raton, 2007.</li><li>
10 D. J. Ahn, J.-M. Kim, Acc. Chem. Res. 2008, 41, 2008, 805–816.</li><li>
11 O. Yarimaga, J. Jaworski, B. Yoon, J.-M. Kim, Chem. Commun. 2012, 48, 2469–2485.</li></ul>

Artikel

Mineralien im Polymer

Natürlich vorkommende Biomaterialien entstehen alle unter Standardbedingungen in wässriger Umgebung – ein Vorbild für umweltverträglichere Kunststoffe. Ein Beispiel für ein solches neuartiges Material ist ein Mineralkunststoff aus Calciumcarbonat und Polyacrylsäure. Als Vorlage für unseren Minera...

Hohe Konzentrationen an Acetaldehyd hemmen die Aldolase, das Enzym arbeitet nicht mehr. NMR-Spektroskopie, Röntgenstruktur und biochemische Analysen zeigen, wie es dazu kommt. Und sie offenbaren eine Lösung: Wird eine Aminosäure ausgetauscht, ist das Enzym stabil und agiert so, wie es soll.
C-C-Bindungen aufzubauen, ist eine der wichtigsten Reaktionen der organischen Synthese. Das Enzym 2-Desoxy-d-ribose-5-phosphat-Aldolase (Dera) ist dabei eine Alternative zu konventionellen Katalysatoren. Da Acetaldehyd als Donor dient, lassen sich in einer Domino-Aldolreaktion bis zu zwei neue stereogene Zentren aufbauen.Dera ist temperaturempfindlich1) und hat kein enantiokomplementäres Enzym.2,3) Beides schränkt seine Anwendung als Biokatalysator ein. Das Hauptproblem ist jedoch, dass die Dera gegenüber Acetaldehyd nur wenig stabil ist: Bei dem Versuch, Dera als Biokatalysator in ihrer nicht natürlichen Umgebung einzusetzen, also mit höheren Substratkonzentrationen als in der Zelle, sinkt die Aktivität bereits nach kurzer Zeit stark: bei 300 mmol·L–1 nach drei Stunden auf etwa 10 Prozent.4)<h2>Chemoenzymatische Aldolreaktionen</h2>Aldolasen, die Umsetzungen chemoselektiv nur mit definierten Donoren katalysieren (Abbildung 1), erweitern das Portfolio an Aldolreaktionen.5) Die Reaktionen laufen zudem stereoselektiv und bei moderaten Temperaturen. Dies ist besonders bei Dera erstaunlich, da die Stereoselektivität bei chemischen Aldolreaktionen mit Acetaldehyd ein Problem ist. Werden α-unsubstituierte Enolate verwendet, lässt sich keine der beiden enantiotopen Seiten gezielt angreifen (enantiofacial differentiation).6) Einige Methoden wie das Hytra-Reagenz von Braun7) umgehen dieses Problem zwar, erreichen aber nicht die hohe Selektivität der Dera. Haben Acetaldehyd und aktives Lysin des Enzyms eine Schiff‘sche Base gebildet, bestimmt dessen chirale Umgebung die Stereoselektivität, wenn der Akzeptor-Aldehyd nukleophil vom Donor angegriffen wird.<figure><img src="https://media.graphcms.com/BNpl6nwQ0OXILMbbyHfQ"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Die vier Klassen, in die Aldolasen anhand ihrer Selektivität unterteilt werden. Aldolasen sind spezifisch für ihre Donormoleküle; bei der Bindung der Akzeptoren sind sie flexibler.</figcaption></figure>
Dera wird bereits in chemoenzymatischen Reaktionen genutzt: Ein Beispiel ist das Blockbustermedikament Atorvastatin (1) (Abbildung 2), ein Cholesterinsenker, dessen Seitenkette durch eine Dera-katalysierte doppelte Aldolreaktion über den chiralen Baustein (2) synthetisiert wird.8)<figure><img src="https://media.graphcms.com/uepKgOI5Qomkol9VJ7H7"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Domino-Aldolreaktion von Chloracetaldehyd und zwei Äquivalenten Acetaldehyd katalysiert von Dera. Der Baustein (3R,5S)-6-Chlor-2,4,6-tridesoxyhexapyranosid (2) kann zur Synthese des Blockbuster-Medikaments gegen Hypercholesterinämie Atorvastatin (1) genutzt werden.8)</figcaption></figure>
<h2>Das Acetaldehyd-Problem</h2>Bei Acetaldehyd-Konzentrationen von 200 bis 300 mmol·L–1 ist Dera bereits nach kurzer Zeit vollständig inaktiviert.4) Diese Mengen sind jedoch für eine präparative Synthese notwendig.Um Stabilität und Aktivität des Wildtypenzyms aus E. coli für die Reaktion von Chloracetaldehyd mit Acetaldehyd zu erhöhen, nutzten Jennewein und Mitarbeiter gerichtete Evolution. Sie erhielten eine Dera-Variante, die bei der untersuchten Reaktion zehnmal aktiver war als der Wildtyp.9) Ursache, Mechanismus und Prävention der Inhibierung durch das natürliche Substrat blieben dennoch ungeklärt.<h2>NMR-Spektroskopie mit Nuklidmarkierung</h2>Acetaldehyd kann die Proteinstruktur des Katalysators zerstören oder verändern, das Enzym also deaktivieren. Wir suchten daher nach einem Mechanismus, der die Struktur als Folge der Reaktion des Aldehyds mit Dera beeinflusst.Um die Mechanismen der Inhibierung zu untersuchen, eignet sich die NMR-Spektroskopie. Zwar dauern die Messungen länger und die Auswertung ist aufwendiger als etwa bei der Röntgenstrukturanalyse. Die NMR-Spektroskopie liefert aber über die chemischen Verschiebungen entscheidende Informationen über dynamische Eigenschaften eines Proteins, etwa Entfaltung, Konformationsänderungen oder Substratbindung.Erstes Experiment war ein 15N-HSQC-Spektrum von Dera im aktiven und inaktiven Zustand. Dabei wird die Magnetisierung vom Rückgrat-Wasserstoffatom auf das benachbarte 15N-Atom übertragen. Die Anreicherung mit 15N-Stickstoff ergab sich daraus, dass E. coli als Quellorganismus für die Proteinsynthese ausschließlich 15N-markiertes Ammoniumchlorid nutzen konnte. Der Vergleich beider Spektren in Abbildung 2A zeigt, dass die meisten Signale gleich blieben. Die globale Struktur der Dera wurde also nach der Inkubation mit Acetaldehyd nicht beeinflusst. Einige Abweichungen in der chemischen Verschiebung wiesen jedoch darauf hin, dass der Aldehyd das Protein verändert.Um diese Unterschiede auf die Proteinstruktur zu übertragen, wurden die einzelnen Signale den entsprechenden Aminosäuren zugeordnet. Dazu machten wir mehrere 3-D-Experimente mit 13C-15N-markiertem Protein. Basierend auf der Zuordnung ließ sich die Verteilung der chemischen Verschiebung für alle Resonanzen vor und nach Acetaldehydinkubation berechnen; diese wurden farbig in der Kristallstruktur der Dera gekennzeichnet (Abbildung 3B).<figure><img src="https://media.graphcms.com/H62WmhDhTpyikPfYj5rg"><figcaption><label>Abb. 3: </label>A) [1H-15N]-HSQC-Spektrum der 15N-markierten Dera vor (schwarz) und nach (rot) Acetaldehyd-Inkubation. B) Nach der Zuordnung der Rückgrat-NH-Signale wurde der Änderungsgrad der chemischen Verschiebung zwischen der aktiven und nichtaktiven Dera in der Proteinstruktur aufgetragen (farbiger Gradient). Zur Orientierung eingezeichnet: das natürliche Substrat 2-Desoxy-d-ribose-5-phosphat im aktiven Zentrum (Sauerstoff in Rot, Phosphor in Orange und Kohlenstoff in Grün).</figcaption></figure>
Im inneren Bereich des Proteins, in dem auch das natürliche Substrat binden würde, sind die chemischen Verschiebungen am stärksten verändert. Dieses Ergebnis lässt vermuten: Nach der Acetaldehydinkubation bleiben niedermolekulare Verbindungen am aktiven Zentrum gebunden. Sie verhindern weiteren Substratumsatz.<h2>Interaktion mit kleinen Molekülen?</h2>Für einen Beweis der Interaktion zwischen Dera und den niedermolekularen Verbindungen wurde das Protein mit 13C-markiertem Acetaldehyd inkubiert, die freien, niedermolekularen Verbindungen entfernt, und anschließend ein Dosy-Spektrum des Proteins aufgenommen. Bei diesem Spektrum wird die Diffusion der 13C-markierten Verbindungen gemessen, sodass Rückschlüsse auf deren Größe möglich sind.Nach der Reaktion des 13C-markierten Aldehyds mit Dera wurden Verbindungen detektiert, die dort diffundieren, wo es auch Makromoleküle tun, nämlich bei etwa 30 kDa. Das bestätigt die vermutete Protein-Aldehyd-Interaktion. Allerdings war es nicht möglich, die exakte Bindestelle des Liganden im Protein sowie dessen Struktur zu bestimmen. Deshalb wurde inaktive Dera kristallisiert und aus den Kristallen die Molekülstruktur röntgenographisch in hoher Auflösung (1,1 Å) bestimmt (Abbildung 4A und B). Diese zeigte eine C4-Verbindung im aktiven Zentrum der Dera, die sowohl mit dem katalytisch aktiven Lysin K167 als auch mit einem benachbarten Cystein C47 kovalent verknüpft war.<figure><img src="https://media.graphcms.com/KcwybQZCSOWvnkWM2r2Q"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Übersicht (A) und Einblick (B) in das katalytische Zentrum der Dera-Kristallstruktur nach Acetaldehyd- Inkubation. C) Vorgeschlagener Reaktionsmechanismus: Zuerst wird das Aldolprodukt gebildet, das über eine Schiff‘sche Base mit dem aktiven Lysin verknüpft ist. Durch Wassereliminierung und anschließende Michael-Addition der Thiolgruppe von Cystein 47 entsteht ein Reaktionsprodukt, das nach einer abschließenden Hydratation mit der Elektronendichte der Kristallstruktur übereinstimmt.</figcaption></figure>
<h2>Inaktivierungsmechanismus und Optimierung</h2>Auf Basis der NMR- und der röntgenographischen Ergebnisse postulieren wir den Inaktivierungsmechanismus in Abbildung 4C: Ausgangspunkt der Enzymhemmung ist Crotonaldehyd, das einfache Aldolprodukt zweier Acetaldehyde, das als Zwischenstufe des natürlichen Katalysemechanismus über eine Schiff’sche Base mit der Aminogruppe von K167 verbunden ist. Wasser wird eliminiert, und die Thiolgruppe des C47 greift in einer Michael-Addition den sp²-hybridisierten Kohlenstoff an C-3 nukleophil an. Abschließend wird das Imin hydratisiert. Das Produkt stimmt exakt mit der Elektronendichte aus der Röntgenkristallstrukturanalyse überein.Um diese Inaktivierung zu verhindern, wurde das betreffende Cystein durch das weniger nukleophile Methionin ersetzt. Diese Dera-Variante, C47M, ist nun vollständig acetaldehydtolerant (Abbildung 5). Selbst nach einer Inkubation über zwölf Stunden in 300 mmol·L–1 Aldehyd war kein Aktivitätsverlust messbar. Das bestätigte sich, als die Bildung der Aldolprodukte NMR-spektroskopisch verfolgt wurde: Während die C47M-Mutante sogar in 1 mol·L–1 Acetaldehyd kontinuierlich Produkt bildet, war der Wildtyp schon nach wenigen Minuten nicht mehr aktiv.<figure><img src="https://media.graphcms.com/0lSA2mT3S1CXbdro6Cd2"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Vergleichende Aktivitätsmessungen (links) und Produktbildung (rechts) von Wildtyp-Dera und C47M-Mutante. Links: Aktivität für das natürliche Substrat abhängig von der Inkubationszeit; rechts: Entstehung des finalen Reaktionsprodukts (Lactol) in 1 M Acetaldehyd als Substrat zeitlich aufgelöst in der NMR-Spektroskopie.</figcaption></figure>
<h2>Fazit</h2>Crotonaldehyd bindet kovalent zwischen dem katalytisch aktiven Lysin und einem benachbarten Cystein des Enzyms und blockiert so dessen Bindetasche. Aus biologischer Sicht stellt sich die Frage: Wieso kommt das Cystein, das nicht am aktiven Mechanismus beteiligt ist, in fast allen Organismen vor, ist also stark konserviert? Warum wurde diese Schwachstelle nicht im Lauf der Evolution behoben? Diese Frage lässt sich bisher nicht beantworten. Dennoch lohnt ein Blick auf die natürliche Funktion der Dera, die Spaltung von 2-Desoxy-d-ribose-5-phosphat in Acetaldehyd und Glycerinaldehyd-3-phosphat in Form einer Retro-Aldolreaktion: Da Acetaldehyd Zellen schädigt, kann sich das Enzym so bei hohen Substratkonzentrationen selbst ausschalten. Das verhindert, dass diese toxische Verbindung aus dem Zucker entsteht.<h2>Quergelesen</h2>2-Desoxy-d-ribose-5-phosphat-Aldolase (Dera) toleriert zwar natürliche Acetaldehydkonzentrationen, nicht aber die für die Synthese von C-C-Bindungen nötigen. Ab einer Konzentration von 200 mmol·L–1 hemmt Acetaldehyd das Enzym.Wird ein Cystein durch Methionin ersetzt, entsteht eine stabile Dera-Variante, die Acetaldehydkonzentrationen bis zu 1 mol·L–1 toleriert.Die neue Mutante eignet sich, um C-C-Bindungen im präparativen Maßstab aufzubauen.<h2>Vitakasten</h2>Markus Dick promovierte im Institut für Bioorganische Chemie der Universität Düsseldorf zum Thema „Strukturelle Untersuchungen zur Aktivität und Stabilität Acetaldehyd-abhängiger Aldolasen“. Seit Februar 2016 arbeitet er als Postdoktorand in der der Computerbiochemie im Arbeitskreis von Holger Gohlke an der Universität Düsseldorf.<div><img src="https://media.graphcms.com/ff5s8OCYRDK6LgF7ccW3">

</div>Carolin Bisterfeld forschte als Doktorandin im Institut für Bioorganische Chemie der Universität Düsseldorf an der Stereoselektivität und Anwendung Acetaldehyd-abhängiger Aldolasen. Seit Oktober 2016 arbeitet sie als Postdoktorandin in der Biokatalyse an der TU Delft in der Arbeitsgruppe von Ulf Hanefeld.<div><img src="https://media.graphcms.com/95jT6YblQMqBxX4fulYw">

</div>Jörg Pietruszka ist seit 2004 Direktor des Instituts für Bioorganische Chemie der Universität Düsseldorf im Forschungszentrum Jülich. Nach dem Chemiestudium in Hamburg und Newcastle upon Tyne (1985–1991) promovierte er 1993 bei Wilfried A. König an der Universität Hamburg. Er schloss ein Postdoktorat bei Steven V. Ley in Cambridge an. Im Jahr 2000 habilitierte er in Stuttgart in organischer Chemie.<div><img src="https://media.graphcms.com/BWcUT4eQ1ysgsts9bmtw">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 M. Dick, O. H. Weiergräber, T. Classen et al., Sci. Rep. 2016, 6, 17908.</li><li>
2 C. Bisterfeld, T. Classen, I. Küberl er al. PLoS ONE 2016, 11, e0156525.</li><li>
3 C. Bisterfeld, I. Küberl, M. Dick, J. Pietruszka, Synlett 2016, 27, 11–16.</li><li>
4 M. Dick, R. Hartmann, O. H. Weiergraber er al., Chem. Sci. 2016, 7, 4492–4502.</li><li>
5 N. J. Turner, E. O‘Reilly, Nat. Chem. Biol. 2013, 9, 285–288.</li><li>
6 M. Braun, Angew. Chem. Int. Ed. 1987, 26, 24–37.</li><li>
7 M. Braun, R. Devant, Tetrahedron Lett. 1984, 25, 5031.</li><li>
8 W. A. Greenberg, A. Varvak, S. R. Hanson et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 5788–5793.</li><li>
9 S. Jennewein, M. Schürmann, M. Wolberg et al., Biotechnol. J. 2006, 1, 537–548.</li></ul>

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