Enzyme als Biokatalysatoren in verschiedenen Anwendungsbereichen
Enzyme werden seit ca. 100 Jahren bewusst in Verarbeitungs- und Veredlungsprozesse eingesetzt und ihr Anwendungsspektrum erweitert sich ständig. Enzyme weisen als Biokatalysatoren eine Reihe von Vorteilen für technische Verfahren auf. Von zunehmendem Interesse ist die Nutzung von "Extremozymen". Diese bakteriellen Enzyme entfalten ihre optimalen Wirkungen in physikalischen Bereichen, die bislang für die Biokatalyse nicht anwendbar waren (2 - 8 °C; > 100 °C; Drücke bis 250 atm und Salzkonzentrationen bis zu 5 molar).
Enzyme werden nahezu aus allen Organismen gewonnen, sei es Tiere (z.B. Kälbermägen – Labenzym, Blut – Thrombin), Pflanzen (Ananas – Bromelain) und Mikroorganismen (Hefen, filamentösen Pilzen und Bakterien. Der Hauptanteil der industriell genutzten Enzyme stammt aus Mikroorganismen (einschließlich gentechnisch veränderter Mikroorganismen). Viele Enzyme mit gleicher katalytischer Aktivität werden aus unterschiedlichen Mikroorganismen gewonnen,aber z.T, auch aus höheren Organismen.
Enzyme stellen als Proteine direkte Genprodukte dar; sie lassen sich einfach durch die Überexpression der entsprechenden Gene mit Hilfe von gentechnisch veränderten Organismen (GVO gewinnen. Die meisten mit Hilfe von GVO gewonnenen Enzyme sind Substitute für die bisher aus konventionellen Organismen isolierten Produkte. Die Enzyme aus GVO sind in ihren Strukturen und Aktivitäten jeweils mit den konventionellen identisch. Mit den neuen Methoden des „gene engineerings“ werden zunehmend „neue“ Enzyme entwickelt, wie sie in der Natur nicht direkt vorkommen. Durch die gerichtete Mutagenese werden gezielt Aminosäuren ausgetauscht. Hierdurch lassen sich eine Erhöhung der Temperatur-, pH- oder Proteolyse-Stabilität erreichen. Aber auch eine Eingrenzung der Substratspezifität oder die Aufhebung der Substrathemmung sind möglich.
Die Gewinnung von Enzymen aus / mit Hilfe von GVO hat große Vorteile: Rohstoffe, Energie und Wasser werden in erheblichem Maße eingespart. Da auch wesentlich weniger Abfälle und Abwasser anfallen, ist das gentechnische Verfahren nicht nur umweltfreundlicher, sondern insgesamt kostengünstiger als die fermentative Gewinnung mit traditionellen Organismen. Kosteneinsparungen von bis zu 90 % können sich hierbei ergeben
Steigerung der Enzymausbeute für ein diagnostisches Enzym durch eine gentechnische Modifizierung. Das Enzym stammt aus B. megaterium und das Gen wurde in E. coli einkloniert.
Protein-Engineering - Gene Engineering Möglichkeiten zur Modifizierung von enzymatischen und physiko-chemischen Parametern bei Enzymen.
Anwendungsgebiete von Enzymen
Enzyme lassen sich entsprechend ihrem Einsatzgebiet differenzieren in „Industrieenzyme“ und „Spezialitätenenzyme“.
Industrieenzyme für die Be- und Verarbeitung von
► Lebensmittel und Getränke - Lebensmittelenzyme (in der EU reguliert und
zulassungspflichtig)
► Futtermittel - Futtermittelenzyme (in der EU reguliert und
zulassungspflichtig)
► Waschmittel und Detergenzien
► Kosmetika
► Textilien und Leder
► Papier und Pulpen
► Bio-Treibstoffe
► Abwasserreinigung
und mehr..
Spezialitätenenzyme für
► Stereospezifische Synthesen bei Chemikalien und Pharmazeutika
► Diagnostische Zwecke
►
Forschungszwecke
Die großen unter den europäische Enzymhersteller:
Novozymes, DuPont Danisco, DSM, BASF, Chr. Hansen Holding A/S,
Advanced Enzyme Technologies,
Associated British Foods
Die Großen im globalen Weltmarkt für technische Enzyme
Diese Hersteller von technischen Enzymen teilen sich quasi den Weltmarkt
Amerika (USA):
Dow DuPont
Cargill Inc.
BioResource International Inc.
Dyadic I nternational Inc.
Codexis Incorporated
Asien
Adisseo (China)
Amano Enzyme Inc (Japan)
Europa:
BASF SE (DE)
AB Enzymes DE)
Koninklijke DSM N.V. (NL)
Associated British Foods PLC (UK)
Novoenzymes A/S (DK)
Chri. Hansen Holding A/S (DK)
Lesaffre (FR)
Indien
Advanced Enzyme Enzyme Technologies Ltd
Nomenklatur der Enzyme
Zur besseren Einordnung der vielen Enzyme wurde eine internationale Nomenklatur - die "IUBMB Enzyme Nomenclature List" eingeführt und die Enzyme mit einer vierstelligen EC-Nummer versehen. Die Enzyme werden nicht nach Namen (Trival- oder systematischen Namen), sondern nach ihrer jeweiligen katalytischen Eigenschaft von EC 1 bis EC 7 und drei Unternummern gelistet. Die weitern Zahlen geben dann die weitere Spezifizierung an.
Beispiel für Chymotrypsin EC 3.4.21.1
3 Enzym-Klasse: Hydrolasen
4 Unterklasse: Peptidasen
21 Typ: Serin-Endopeptidase
1 Name: Chymotrypsin (hierbei wird die Quelle aus dem das Chymotrypsin stammt nicht berücksichtigt.)
Die Nummerierungen geben die Anzahl der Unterklassen an z. B. Bei dem Hydrolasen EC 3 gibt es 13 Unterklassen EC 3.13.