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Chemiker der Universität Bielefeld entwickeln biotechnologisches Verfahren

Ob für die Produktion von Kunststoffen oder von pharmazeutischen Wirkstoffen wie der Anti-Diabetes-Arznei Vildagliptin: Nitrile gehören zu den bedeutendsten Stoffgruppen in der Chemie. Problematisch an den Nitril-Verbindungen ist oft ihre Herstellung. Bislang werden dafür häufig die hochgiftige Blausäure und Derivate eingesetzt. Chemikerinnen und Chemiker der Universität Bielefeld haben jetzt einen Weg gefunden, Nitrile umweltfreundlich und mit hoher Effizienz zu erzeugen. Ihre Entwicklung stellen sie jetzt in der Chemie-Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ vor. Das Journal führt den Beitrag als „Very Important Paper“.

„Nitrile werden unter anderem von Bakterien, aber auch in der Pflanzenwelt produziert“, sagt Professor Dr. Harald Gröger vom Lehrstuhl für Organische Chemie I sowie Centrum für Biotechnologie (CeBiTec) der Universität Bielefeld. „Die Natur hat Wege gefunden, Nitrile herzustellen, ohne dabei Blausäure zu benötigen. Sonst würden die Bakterien und Pflanzen ja bei der Produktion der Nitrile Schaden nehmen“, sagt Gröger, der für seine Forschung zu „Grüner Chemie“, also umweltschonenden chemischen Verfahren, bekannt ist.

Grögers japanischer Kollege und Kooperationspartner Professor Dr. Yasuhisa Asano von der Univer-sität der Präfektur Toyama hat 1998 in einem Bakterium als Erster ein Enzym entdeckt, das Nitrile herstellt. Inzwischen ist eine ganze Klasse dieser natürlichen Katalysatoren beschrieben: die Aldoximdehydratasen (Oxds).

Für die neue Studie haben Gröger und sein Team fünf verschiedene Oxd-Enzyme künstlich herge-stellt. „Wir haben uns natürliche Oxd-Enyzme vorgenommen, die in der Natur von Mikroorganismen wie Bacillus, Pseudomonas und Rhodococcus erzeugt werden. Diese Enzyme haben wir in E.coli-Bakterien produzieren lassen“, sagt Tobias Betke, Erstautor der Studie und Mitarbeiter von Harald Gröger. In Bielefeld hat er gemeinsam mit Harald Gröger, Philipp Rommelmann und Keiko Oike innerhalb der deutsch-japanischen Kooperation an der Studie gearbeitet.

Als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Nitrilen verwendeten die Bielefelder Wissenschaftler Aldehyde. „Der Vorteil ist, dass diese vielfach industriell genutzt werden und somit leicht verfügbar sind“, sagt Harald Gröger. Die Aldehyde wandelten sie jeweils in sogenannte Aldoxime um: Dies stellt ebenfalls eine chemisch einfache Transformation dar. Danach erprobten sie, wie ihre hergestellten Oxd-Enzyme wirkten und ob diese aus den Aldoximen Nitrile produzieren können. „Unsere Hoffnungen wurden übertroffen. Jedes der eingesetzten Enzyme war in der Lage, in wir-kungsvoller Weise Aldoxime in die gewünschten Nitrile zu überführen“, sagt Gröger. Das Neue: „Die bisherigen Verfahren benötigen meist Blausäure oder Zyanide als Reagenzien. Wir kommen ohne diese hochgiftigen Substanzen aus“, berichtet Tobias Betke. Hinzu kommt, dass das neue Verfahren unter milden Reaktionsbedingungen abläuft – bei acht Grad Celsius und in Wasser als Reaktionsmedium.

„Für unsere Untersuchung sind wir noch einen Schritt weitergegangen“, sagt Betke. Es gibt zwei Formen von Nitrilen: Diese besitzen zwar die gleiche atomare Anordnung, verhalten sich aber wie Bild und Spiegelbild. Das R-Nitril und seine gespiegelte Variante S-Nitril unterscheiden sich wie die rechte zur linken Hand. Diese beiden Formen können zugleich verschiedene Eigenschaften haben und das ist besonders für die Verwendung als Medikamente bedeutsam. Dass jede Variante eine andere Wirkung haben kann, ist von einem anderen Spiegel-Molekül bekannt: dem Contergan-Wirkstoff Thalidomid. Das R-Thalidomid wirkt als Schlafmittel, die S-Form hingegen wirkt sich schädlich auf die Entwicklung von Embryonen aus und führt zu Missbildungen bei Neugeborenen.

„Wir haben einen Weg gefunden, wie wir durch den gezielten Einsatz der Oxd-Enzyme selektiv, also gezielt, sowohl das R-Nitril als auch S-Nitril herstellen können“, sagt Betke. „Die Selektivität des Verfahrens macht das Verfahren zudem auch für zukünftige Anwendungen im pharmazeutischen Bereich interessant“, sagt Harald Gröger.
Für den Bielefelder Chemiker basiert der Forschungserfolg auf der mehr als fünfjährigen Zusammenarbeit mit Professor Yasuhisa Asano. Zudem kam Grögers Mitarbeiterin Keiko Oike im Frühjahr 2016 von Asanos Gruppe an die Universität Bielefeld. Gröger und Asano setzen auch auf den Aus-tausch der Mitarbeiter. Tobias Betke und weitere Mitarbeiter von Gröger reisen für Forschungsaufenthalte an die Universität Toyama. Möglich macht das ein Mobilitätsprojekt, das der Deutsche Akademischer Austauschdienst (DAAD) Gröger und Asano Anfang 2017 genehmigt hat. Bis 2019 reisen, gefördert durch das Programm, Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aus beiden Ar-beitskreisen für Forschungsaufenthalte von Deutschland nach Japan und umgekehrt.

Originalveröffentlichung:
Tobias Betke, Philipp Rommelmann, Keiko Oike, Yasuhisa Asano, Harald Gröger: Cyanide-Free and Broadly Applicable Enantioselective Synthetic Platform for Chiral Nitriles through a Biocatalytic Approach. Angewandte Chemie. Heftinhalt: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.v56.40/issuetoc. Artikel: https://doi.org/10.1002/anie.201702952, gedruckt erschienen am 25. September 2017.

Weitere Informationen:
Forschungsgruppe „Organische Chemie I“ von Prof. Dr. Harald Gröger: http://www.uni-bielefeld.de/chemie/arbeitsbereiche/oc1/HG/