Neue Enzyme für grüne Kosmetik
Die gegenwärtig bei der Herstellung von Kosmetika eingesetzte chemische Synthese hat unter Einschränkungen wie etwa unerwünschten Nebeneffekten und der Notwendigkeit extremer chemischer Bedingungen zu leiden. In Folge dessen besteht ein allgemeiner Konsens hin zu industriellen Biokonversionen auf Enzymbasis mit reduzierten Auswirkungen auf die Umwelt. Die Enzyme Feruloyl (FAE) und Glucuronoylesterase (GE) sind traditionell dafür bekannt, auf natürliche Weise Lignozellulose, die Basis pflanzlicher Biomasse, abbauen zu können. Zudem können sie die Synthese einer umfangreichen Palette an bioaktiven Molekülen mit interessanten Eigenschaften, insbesondere von Antioxidantien, katalysieren, die in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie Anwendung finden. Wissenschaftler des von der EU finanzierten Projekts OPTIBIOCAT wollten neuartige Enzyme zur Erzeugung von Molekülen mit antioxidativer Aktivität für den Kosmetiksektor ermitteln. „Unser Ziel war, in Pilzen und Bakterien nach neuen Enzymen mit verbesserten und umweltfreundlichen Funktionen zu suchen“, erläutert Projektkoordinatorin Prof. Dr. Vincenza Faraco. Neue Enzyme technisch entwickeln Es wurde ein beeindruckendes Portfolio neuer Enzyme konzipiert, wozu mehr als 550 neuartige GE und 500 mutmaßliche FAE zählen, die durch Bioinformatikanalysen in Pilz- und Bakteriengenomen erkannt wurden. Die Forscher sequenzierten und annotierten das Erbgut fünf verschiedener Hefearten, wobei man neue FAE und GE sowie andere, am Biomasseabbau beteiligte Enzyme identifizierte. OPTIBIOCAT ging noch einen Schritt weiter, indem man FAE- und GE-Mutanten aus neuen, innerhalb des Projekts entdeckten Enzymen entwickelte. Grundgedanke war die Verbesserung der Effizienz der Fermentation/Produktion und die Stabilisierung der Enzymformulierungen sowie auch des Lebenszyklus der Biokatalysatoren. Überdies wurden ausgehend von drei bekannten verfügbaren FAE mittels der Methode der zufälligen Mutagenese mehr als 60 000 Varianten der gerichteten Evolution dieser Enzyme in Hefe exprimiert. Man wählte mit Hilfe automatisierter Arbeitsstationen Varianten mit höherer operativer Stabilität, Hitzebeständigkeit, Ausbeute und Produktivität aus. „Diese Bibliotheken mit tausenden Enzymvarianten sind eine Quelle, welche die OPTIBIOCAT-Partner nach anderen Eigenschaften im Zusammenhang mit außerhalb des Forschungsbereichs des Projekts liegenden Anwendungen durchsuchen können“, fährt Prof. Dr. Faraco fort. Um die für industrielle Maßstäbe vielversprechendsten Kandidaten zu validieren, stellten die Wissenschaftler sie in Wirtshefen und -pilzen her. Nach einer Optimierung der Bedingungen erreichte man Produktionsausbeuten von bis zu 20 Litern. Portfolio der antioxidativen Verbindungen wird erweitert Gleichzeitig benutzten die Forscher zwei der besten Enzymkandidaten, um eine Bibliothek aus mehr als 300 neuartigen Verbindungen aufzubauen und zu charakterisieren. Unter den ermittelten Verbindungen waren Ester mit antioxidativer Aktivität. Diese Eigenschaft sorgt dafür, dass diese Verbindungen den in der Kosmetikindustrie verwendeten Formulierungen zusätzlichen Wert verleihen. Folgende In-vitro-Prüfungen einiger dieser Verbindungen in Bezug auf Hautreizungen bewiesen deren Unbedenklichkeit für den Gebrauch in Kosmetika. Um deren potenzielle kosmetische Wirkungen zu bestätigen, sind jedoch weitere Tests der Verbindungen erforderlich. Im Großen und Ganzen verbessert das OPTIBIOCAT-Projekt die Syntheseleistungen von FAE und GE, womit eine Optimierung der Biokonversionsreaktionen einhergeht. Zudem unterstützt es einen Wechsel hin zu Verfahren auf Basis von Enzymen anstelle von Chemikalien, womit auch weniger Tierversuche notwendig sind, was offensichtliche sozioökonomische Auswirkungen hat. Prof. Dr. Faraco legt dar: „Die Wirkung der Studie geht über die Herstellung von Kosmetikprodukten mit natürlichen Inhaltsstoffen hinaus. Das aus diesem Projekt erwachsende Wissen ist für zukünftige Dienstleistungen und/oder Produkte in Übereinstimmung mit den eigenen Entwicklungsstrategien der nichtwissenschaftlichen Partner nutzbar.“ In Anbetracht des milliardenschweren Marktes für industrielle Enzyme und Antioxidantien wird man die OPTIBIOCAT-Ergebnisse zweifellos schnell kommerzialisieren.
Schlüsselbegriffe
OPTIBIOCAT, Antioxidans, Kosmetika, Feruloylesterase (FAE), Glucuronoylesterase (GE)
