Themen der Technischen Biochemie

Biokatalyse, Bioinformatik, Bionik und Biomaterialien – auf dieser Seite erklären wir unsere Themen.

Die Themen der Abteilung für Technische Biochemie

Das TB-Team erforscht biochemische Stoffwechselreaktionen und ihre genetischen Zusammenhänge. Das ist die Grundlage, um enzymatische Systeme für die Biokatalyse zu optimieren. Dafür nutzen die Forscher auch innovative Ansätze der synthetischen Biologie: Proteine werden gezielt verändert (Protein-Engineering) und enzymatische Reaktionen, die es in der Natur so nicht geben würde, werden mithilfe neuartiger Laborverfarhen und Computervorhersagen designt.

In manchen Fällen gilt es, ein gewünschtes Produkt in besonderer Reinheit zu erhalten oder aus einer Mischung von Ausgangssubstanzen soll nur eine umgesetzt werden – mit maximaler Ausbeute. In anderen Fällen soll ein Nebenprodukt des bakteriellen Stoffwechsels mengenmäßig zu einem Hauptprodukt werden. Gefragt ist auch die enzymatische Herstellung optisch reiner Substanzen – zum Beispiel bei einem medizinischen Wirkstoff, der nur in einer optischen Variante desselben Moleküls wirksam ist.

Um solche Ziele im industriellen Maßstab zu verwirklichen, werden am TB schon bei der Entwicklung mikrobieller Produktionswege industrielle Anforderungen berücksichtigt. Die verwendeten Mikroorganismen müssen zum Beispiel resistent sein – oder gemacht werden – gegen Lösungsmittel, die in Industrieanlagen zur Reinigung verwendet werden.

Auch die Enzyme selbst sind ein industriell nutzbares Produkt von Mikroorganismen: Als Waschmittelzusatz lösen sie Proteine aus schmutziger Wäsche, sie werden zur Nahrungsmittelproduktion (Käse!) und in der Medizin eingesetzt. Für den zukünftigen Bedarf arbeiten die Wissenschaftler des TB an neuen und besseren Verfahren zur Bioproduktion. Dafür verfügen sie über ein Arsenal hoch leistungsfähiger Bioreaktoren mit einem Produktionsvolumen bis zu 30 Litern. Außerdem werden am TB neue Technologien entwickelt, um die Enzyme von unerwünschten Begleitprodukten zu trennen.

Methodische Schwerpunkte:

  • Molekularbiologie, speziell Protein-Engineering
  • Gentechnologie
  • physiologische Stammcharakterisierung

Interesse? Dies sollten Schüler für ein Praktikum im Bereich Biokatalyse mitbringen:

  • Querschnittsinteresse an Biochemie und Biologie
  • Basiswissen über Stoffwechselreaktionen
  • Freude an strukturierter Arbeitsweise

Enzyme sind lebenswichtig. Sie katalysieren in allen Organismen biochemische Reaktionen, ohne die der Stoffwechsel nicht funktionieren würde. Inzwischen ist von Hunderten Enzymen bekannt, was sie machen. Aber nur in wenigen Fällen weiß man genau, wie sie es machen – wie Enzyme z. B. hochspezifisch ihre Substrate erkennen und nur eine ganz bestimmte von vielen möglichen Reaktionen durchführen.

Die Arbeitsgruppe Bioinformatik sammelt zu ausgewählten Enzymgruppen alle verfügbaren Daten zu Proteinsequenz und -struktur sowie biochemischen Eigenschaften. Sammeln alleine reicht jedoch nicht: Die Daten werden in unserer Arbeitsgruppe gezielt verarbeitet und aufbereitet, so werden daraus nutzbare Informationen. Auf ihrer Basis entstehen an Hochleistungscomputern virtuelle Molekül-Modelle und Simulationen von Enzymreaktionen: Durch atomare Wechselwirkungen der Enzym-Atome untereinander und mit ihrer Umgebung ändert sich die Gestalt des Enzyms permanent geringfügig. Die Computermodellierungen zeigen ein leichtes „Wabern“ der Moleküle, so dass die Bindungsstellen und Reaktionszentren mal leichter und mal schwerer zugänglich sind. Durch diese Simulationen lassen sich auf molekulare Ebene die hohe Selektivität und Spezifität enzymatischer Reaktionen erklären. Dieses Verständnis ist die Basis, um die Wirkung von Enzymveränderungen – etwa dem Austausch einer Aminosäure an einer bestimmten Position – vorherzusagen. Die Ergebnisse stoßen das Tor weit auf zum Design neuer und verbesserter Enzyme für die Biotechnologie.

Methodische Schwerpunkte:

  • Design und Pflege von Proteindatenbanken
  • 3D-Modellierung von Enzymen
  • Computer-Simulation der Erkennung eines Substrats durch ein Enzym
  • Vorhersage verbesserter Enzyme durch Änderung der Proteinsequenz

Interesse? Dies sollten Schüler für ein Praktikum im Bereich Bioinformatik mitbringen:

  • Interesse an Biochemie, Biologie und Informatik
  • Mathematisches Verständnis
  • Freude an der Entwicklung von Computermodellierungen

 Forschungsprojekte für Schüler auf dem Gebiet der Bioinformatik:

Die Arbeitsgruppe Bioinformatik bietet einzelnen interessierten Schülern an, im Rahmen eines Forschungsprojekts für ein Schuljahr in unserer Arbeitsgruppe mitzuarbeiten und die Forschung kennenzulernen. Das Forschungsthema und eigene Ergebnisse können zum Beispiel zur Erstellung einer Seminararbeit verwendet werden. Seit dem Schuljahr 2013/2014 führten wir jedes Jahr in Zusammenarbeit mit StD Markus Müller (Wirtemberg-Gymnasium, Stuttgart-Untertürkheim) ein Forschungsprojekt zur molekularen Struktur von Proteinen durch.

Die Bionik verbindet die Biologie mit der Technik. Sie nutzt natürliche Funktionsprinzipien für technologische Neuentwicklungen. Das TB-Team stößt dabei bis in die molekularen Tiefen vor, sucht und erforscht das Zusammenspiel von anorganischer und organischer Materie bei natürlichen Vorbildern. Das Ziel ist die Entwicklung neuartiger Biomaterialien.

Die Mischung macht’s: Die Natur hat anorganische und organische bzw. biochemische Strukturen vielfach so miteinander verbunden, dass Materialien mit höchst interessanten Eigenschaften entstanden. Proteine und Peptide bilden zum Beispiel mit Kalziumverbindungen und langkettigen Kohlenhydraten mechanisch stabile, hoch belastbare Strukturen. Was Knochen, Zähne, Muschelschalen und tierische Silikatskelette vormachen, wollen die Forscher am TB verstehen, nachbauen und für spezielle Anwendungen optimieren.

Das Spektrum der Möglichkeiten ist groß: Proteine oder Peptide können so in Kalziumkristalle eingebaut werden, dass besonders harte, bruch- oder zugfeste Materialien entstehen oder solche mit speziellen optischen Eigenschaften wie Fluoreszenz. Ein besonderes Anwendungsgebiet neuer anorganisch-organischer Verbundmaterialien sind Implantate. Sie müssen nicht nur bestimmte mechanische Eigenschaften haben, sondern sie müssen auch biokompatibel sein, um vom Organismus akzeptiert zu werden.

Methodische Schwerpunkte:

  • Gentechnologie
  • Screening-Methoden wie Phagen- und Zelloberflächendisplay
  • Proteinbiochemische Verfahren

Interesse? Dies sollten Schüler für ein Praktikum im Bereich Biokatalyse mitbringen:

  • Querschnittsinteresse an Chemie und Biologie
  • gutes strukturelles Verständnis
  • Freude am Umgang mit technischen Analyseverfahren
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