„Hydrophobin - ein neues industrielles Performance Protein.“

Thomas Subkowski

Das Spektrum reicht von der Käseherstellung bis zu modernen Waschmitteln: mit Hilfe der Weißen Biotechnologie können katalytisch aktive Proteine (Enzyme) hergestellt und industriell angewendet werden. Waschmittel entfalten zum Beispiel durch zugesetzte Enzyme wie Proteasen, Lipasen, Amylasen schon bei niedrigen Temperaturen ihre volle Reinigungskraft.

Darüber hinaus bietet die Natur eine Vielzahl nicht-enzymatisch aktiver Proteine, so genannte Performance Proteine. Durch ihre besonderen physiko-chemischen Eigenschaften sind sie sehr interessant für die Industrie. Auch die BASF erforscht derzeit mit Methoden der Weißen Biotechnologie Performance Proteine. Durch den technischen Fortschritt in der Molekularbiologie, Biochemie und der Fermentation können einige dieser Proteine nun erstmalig im industriellen Maßstab hergestellt werden. So können die Verbraucher im Alltag von den besonderen Eigenschaften dieser Naturstoffe profitieren.

Ein neues Performance Protein aus der BASF-Forschung ist Hydrophobin.
Viele filamentöse Pilze sekretieren unter anderem ein Protein, das die Oberfläche ihrer Sporen und Fruchtkörper wasserabweisend macht. Die Proteine, die diese Eigenschaft bewirken, heißen Hydrophobine und wurden erstmals 1991 von einer niederländischen Arbeitsgruppe in dem Pilz Schizophyllum commune entdeckt. Inzwischen ist bekannt, dass nahezu alle Pilze ein oder sogar mehrere Hydrophobine produzieren, die bestimmte strukturelle Gemeinsamkeiten aufweisen. Sie bestehen aus zirka 100 Aminosäuren, und enthalten immer 8 konservierte Cysteine, die 4 intramolekulare Cystinbrücken ausbilden und in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind. Die räumliche Struktur der Hydrophobine konnte mittels NMR und Kristallstrukturanalyse aufgeklärt werden. Das Molekül weist amphiphile Eigenschaften auf. Das bedeutet, es gibt sowohl hydrophile, als auch hydrophobe Anteile im Molekül. Die außergewöhnliche Fähigkeit der Hydrophobine besteht darin, durch Selbstorganisation an Grenzflächen (fest-flüssig, flüssig-flüssig, flüssig-gasförmig) eine monomolekulare Proteinschicht auszubilden. Die Dicke dieser Schicht beträgt dabei weniger als 10 nm und erweist sich als ungewöhnlich stabil. In Folge der Beschichtung hydrophober und hydrophiler Oberflächen kommt es zu einer Umkehr der Polarität, so dass es möglich ist, Glas zu hydrophobisieren beziehungsweise Polypropylen zu hydrophilisieren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Oberflächenmodifikation.von Glas und von Polypropylen mit Hydrophobin.

Abbildung 2: Biotechnikum der BASF zur Entwicklung von Fermentationsprozessen).
Lösungsmittel, Detergenzien sowie saure und basische pH-Werte (3-10) können die Proteinschicht weder ablösen, noch zerstören. Auch Temperaturen bis zu 100°C (kurzfristig auch >150°C) beeinträchtigen den Proteinfilm nicht. Diese Eigenschaften machen das Molekül sehr attraktiv für industrielle Anwendungen.
Aus der Natur sind Hydrophobine nur in sehr geringen Mengen zu isolieren. Pro Quadratmeter Pilzoberfläche liegt nur 1 mg Hydrophobin vor. Daher ist eine wirtschaftliche Herstellung der Hydrophobine aus natürlichen Quellen im industriellen Maßstab nicht möglich. In den vergangenen Jahren wurde an der rekombinanten Produktion der Hydrophobine gearbeitet. Es zeigte sich allerdings, dass dies aufgrund der ungewöhnlichen Eigenschaften des Proteins nicht ohne weiteres realisierbar ist. Eine geeignete Strategie besteht in der Maskierung der Proteineigenschaften mit einem geeigneten Fusionsprotein. Das exprimierte Protein besteht so aus einem Fusionspartner, gefolgt von dem gewünschten Hydrophobin. Bei dem Fusionspartner handelt es sich um ein im Produktionsorganismus E. coli sehr gut überexprimierbares Protein. Das gebildete Fusionsprotein fällt in hoher Konzentration in Form von in der Zelle kompakt abgelagerten Proteinpartikeln, so genannten inclusion bodies, an und erlaubt so eine leichte und effiziente Produktion und Reinigung (Abbildung 2).

In weiteren Experimenten wurde der Prozess optimiert: Ziel war eine Verkürzung des Fusionspartners, um eine maximale Produktivität der E. coli Zelle, bezogen auf den Hydrophobinanteil, zu erreichen. Es gelang, den Fusionspartner von über 300 Aminosäuren auf weniger als 40 Aminosäuren zu reduzieren, ohne die Eigenschaften des Gesamtmoleküls sowie dessen Expressionslevel zu verändern (Abbildung 3).

Abbildung 3: Schematische Darstellung der verkürzten Fusionsproteine

Da Hydrophobine jetzt im größeren Maßstab zur Verfügung stehen, konnten sie erstmals breit für den Einsatz in industriellen Anwendungen untersucht werden. Einige ausgewählte Beispiele werden im Folgenden präsentiert:

  1. Beschichtung von Silikonfolien

    Silikon findet als Dichtmaterial eine breite Anwendung unter anderem im Sanitärbereich. Wegen seiner hydrophoben Eigenschaften ist es allerdings nicht möglich, Silikonfugen zu überstreichen. Werden diese Fugen jedoch mit Hydrophobin beschichtet, kehrt sich ihre Oberflächenpolarität um und das hydrophilisierte Silikon kann problemlos gleichmäßig mit einer Farbschicht überzogen werden (Abbildung 4).

    Abbildung 4: Silikonfolie mit und ohne Hydrophobinbeschichtung, gefolgt von einem Auftrag Acrylatfarbe (Patentanmeldung WO2006082253).

  2. Beschichtung von Schäumen

    Der Melaminharzschaum Basotect® wird bei der Wärme- und Schallisolierung und als Reinigungsschwamm eingesetzt. Das offenporige Material ist stark hydrophil und kann durch eine Beschichtung mit Hydrophobin vollständig und durchgängig hydrophobisiert werden, ohne die sonstigen Materialeigenschaften, wie z.B. die Dichte, zu verändern. Derart modifizierte Schwämme eignen sich somit hervorragend zum Aufsaugen von Ölen und Lösungsmitteln zur Beseitigung von Ölkontaminationen in der Umwelt. Die Schwämme bestehen zu 98 Prozent aus Luft und haben dadurch eine extrem hohe Aufnahmefähigkeit.

  3. Stabilisierung von Emulsionen

    Da sich Hydrophobin auch an flüssig-flüssig Grenzflächen anlagert, kann es zur Stabilisierung von Emulsionen eingesetzt werden. Der monomolekulare Hydrophobinfilm an der Interphase verhindert eine Entmischung der emulgierten Bestandteile. Ein Beispiel ist eine Koemulsion verschiedener Öle in Wasser unter Zusatz von C10-Alkylsulfat (Decylsulfat). Bereits eine Hydrophobinzugabe im ppm-Bereich führt zu einer vollständigen Stabilisierung der entstandenen Emulsion (Abbildung 5).

    Abbildung 5: Hydrophobin stabilisierte Emulsion (Patentanmeldung WO2006103252).

Eine Reihe weiterer viel versprechender Anwendungen konnte bisher identifiziert werden und es ist damit zu rechnen, dass dieses Performance Protein sowohl zu einer Verbesserung bestehender Produkte, als auch zu völlig neuen Applikationen führen wird.
Das Prinzip, von der Natur zu lernen und schon bestehende Lösungen (z.B. in Form von Performance Proteinen) auf andere, industrielle Gebiete zu übertragen, wird bei der BASF intensiv weiterverfolgt und stellt im Rahmen der weißen Biotechnologie einen innovativen Ansatz dar.


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