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[[Datei:Labfors 4 with touchscreen.jpg|mini|hochkant=1.4|Bioreaktor (Fermenter) im Labormaßstab]]

Als '''Biokatalyse''' wird eine Umsetzung und Beschleunigung oder Lenkung chemischer Reaktionen ([[Katalyse]]) bezeichnet, in der [[Enzym]]e als biologische [[Katalysator]]en dienen. Enzyme bestehen vollständig oder überwiegend aus einem oder mehreren [[Protein]]en (Eiweißen) und teilweise auch einem [[Coenzym|Kofaktor]]. Die meisten [[Biochemie|biochemischen]] Reaktionen in Lebewesen werden von spezifischen Enzymen katalysiert.

Beim Einsetzen der Biokatalyse in technischen Anwendungen ([[Biotechnologie]]) werden [[Enzyme]], entweder isoliert oder in der lebenden Zelle, zur [[Katalyse]] von [[chemisch]]en [[Chemische Reaktion|Reaktionen]] verwendet. Es ist ein junges Gebiet im Überschneidungsbereich von Biotechnologie und [[Chemie]].<ref>T. Anthonsen: ''Reactions Catalyzed by Enzymes.'' In P. Adlercreutz. P. und A. J. J. Straathof (Hrsg.): ''Applied Biocatalysis'', 2. Auflage, Harwood Academic Publishers 1999, S. 18–53.</ref><ref>K. Faber: ''Biotransformations in Organic Chemistry'', 4. Auflage, Springer-Verlag Berlin 2000.</ref><ref>{{cite journal |author=Jayasinghe L. Y., Smallridge A. J., and Trewhella M. A. |year=1993 |title=The yeast mediated reduction of ethyl acetoacetate in petroleum ether |journal=[[Tetrahedron Letters]] |volume=34 |issue=24 |pages=3949 |doi=10.1016/S0040-4039(00)79272-0 |language=en}}</ref>

Als Synonyme zum Begriff Biokatalyse werden gelegentlich die Begriffe [[Biokonversion]] und [[Biotransformation]] verwendet. Teilweise wird aber auch unterschieden in Biokatalyse als Überbegriff für ''alle'' enzymkatalysierten biochemischen Reaktionen, während die beiden anderen Begriffe für enzymkatalysierte Reaktionen ''in technischen Anwendungen'' (Biotechnologie) verwendet werden.

== Geschichte ==
[[Datei:Cuves Figeac.jpg|mini|Gärbehälter zur Weinherstellung]]
Beim [[Bierbrauen]], einem Beispiel für Biokatalyse, handelt es sich um einen der ältesten bekanntesten chemischen Prozesse der Menschheit. Seit Jahrhunderten sind biokatalytische Prozesse unter Einsatz von [[Bakterien]], [[Hefen]] oder [[Pilze]]n, besonders in der Herstellung von Wein, Bier, Käse und anderen Nahrungsmitteln bekannt. Auch in der [[Pharmazeutische Industrie|pharmazeutischen Industrie]] werden seit langem biokatalytische Prozesse eingesetzt.

Dabei geht es zum Teil um die Verwirklichung von anders nicht durchführbaren Reaktionen und zum Teil um den Ersatz von bereits bestehenden Synthesen mit giftigen Reagenzien und Lösemitteln. Im Sinne der [[Nachhaltigkeit]] werden diese durch mildere Methoden ersetzt, denn Biokatalysatoren arbeiten häufig in Wasser und bei 20 bis 40 °C.

Beispiele für wirtschaftlich bedeutende biokatalysierte Prozesse sind die Herstellung von [[Vitamin C]], die [[Aspartam]]-Herstellung, die Verzuckerung von Stärke zu [[Glukosesirup]] und die [[Antibiotika]]-Herstellung durch enzymatische Spaltung von [[Penicillin G]].

== Vorteile der Biokatalyse ==
[[Datei:Jninternational4.jpg|mini|Bioreaktor zur bakteriellen Herstellung von [[Vakzine]]n]]
Die Vorteile der Biokatalyse für die organische Synthese liegen vor allem in der Selektivität, die eine Voraussetzung für das Erzielen einer hohen Ausbeute ist. Enzyme bieten Vorteile bei der [[Selektivität (Chemie)|Chemoselektivität]], der [[Regioselektivität]], der [[Selektivität (Chemie)|Diastereoselektivität]] und der [[Enantioselektivität]].<ref name=Reetz>[[Manfred T. Reetz]]: ''Biocatalysis in Organic Chemistry and Biotechnology: Past, Present, and Future'', [[J. Am. Chem. Soc.]] 135 (2013) S. 12480–12496.</ref>

Enzyme reagieren oft unter milden Bedingungen, so dass bei gegebenen Reaktionsbedingungen nur eine funktionelle Gruppe reagiert. Das führt auch dazu, dass Produkte biokatalytischer Prozesse oft reiner sind und die Abtrennung von Nebenprodukten unproblematischer ist.

Auf Grund der komplexen Struktur von Enzymen katalysieren diese oft regio- und diastereoselektive Reaktionen. Die oft vorhandene [[Chiralität (Chemie)|Chiralität]] des Enzymes kann bei verschiedenen Reaktionen auf das [[prochiral]]e Substrat zur Herstellung [[Enantiomere|enantiomerenreiner]] Komponenten übertragen werden. Besonders bei der Herstellung von [[Arzneistoff]]en und Wirkstoffen in der Agrochemie sind diese Komponenten als chirale Bausteine begehrt.

Auch die milden Reaktionsbedingungen, der Gebrauch von Wasser als [[Lösungsmittel]] in vielen Reaktionen und die biologische Abbaubarkeit sind Gründe für eine intensive Erforschung der Biokatalyse.

Erfolgreiche Methoden für die Verbesserung von Enzymen für die Biokatalyse sind die [[gerichtete Evolution]] und das rationale [[Proteindesign]].

== Anwendung der Biokatalyse ==
Biokatalyse hat in verschiedenen Industriezweigen bedeutende Anwendungen gefunden. In der [[Pharmazie]] spielt sie eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von lebenswichtigen Verbindungen wie [[Ascorbinsäure|Vitamin C]] und [[Antibiotikum|Antibiotika]]. Die Präzision und Selektivität von Enzymen ermöglichen eine effiziente Produktion dieser pharmazeutischen Wirkstoffe. In der Lebensmittelindustrie wird Biokatalyse erfolgreich bei der [[Bierbrauen|Bierherstellung]] sowie der Produktion von Sekt und Champagner eingesetzt. Enzyme unterstützen dabei nicht nur den Fermentationsprozess, sondern tragen auch zur Verbesserung von Aromen und Geschmacksprofilen bei. In der Biotechnologie findet die Biokatalyse Anwendung in der [[Abwasserbehandlung]], wo Enzyme Schadstoffe abbauen und so zu einer nachhaltigen Umwelt beitragen. Schließlich spielt die chemische Synthese eine wichtige Rolle, wenn es um die Herstellung von Feinchemikalien geht. Die präzise Steuerbarkeit von enzymatischen Reaktionen ermöglicht die effiziente und umweltfreundliche Synthese komplexer Moleküle in der chemischen Industrie. Biokatalyse stellt somit eine vielseitige und nachhaltige Technologie dar, die in verschiedenen Branchen dazu beiträgt, Prozesse zu optimieren und umweltfreundliche Lösungen zu fördern.<ref>{{Literatur |Autor=Shuke Wu, Radka Snajdrova, Jeffrey C. Moore, Kai Baldenius*, Uwe T. Bornscheuer |Titel=Biokatalyse: Enzymatische Synthese für industrielle Anwendungen |Sammelwerk=Angew. Chem. Int. Ed |Band=133 |Datum=2021 |Seiten=88–119 |DOI=10.1002/anie.202006648 |Sprache=de}}</ref>

== Asymmetrische Biokatalyse ==
Bei der asymmetrischen Biokatalyse können zwei prinzipielle Methoden unterschieden werden; zum einen die kinetische [[Racemat]]spaltung und die biokatalytische asymmetrische Synthese.

Bei der kinetischen Racematspaltung wird ein Racemat mit Hilfe von Enzymen umgewandelt. Auf Grund der Chiralität der Enzyme reagiert ein [[Enantiomer]] im Racematgemisch schneller unter Biokatalyse zum Zielprodukt, während die andere nicht reagiert.–

Die biokatalytische asymmetrische Synthese ist eine Reaktion, bei der eine [[prochiral]]e Komponente enantioselektiv in eine chirale umgewandelt wird, etwa bei der enantioselektiven Reduktion von Ketonen durch Hefe.

== Literatur ==
* A. S. Bommarius und B. R. Riebel: ''Biocatalysis – Fundamentals and Applications''. Wiley-VCH, Weinheim 2004, ISBN 978-3527-30344-1
* [[Garabed Antranikian]]: ''Angewandte Mikrobiologie'', 1. Aufl., Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, ISBN 3-540-24083-7
* G. E. Jeromin und M. Bertau: ''Bioorganikum – Praktikum der Biokatalyse''. Wiley-VCH, Weinheim 2005, ISBN 3-527-31245-5

== Weblinks ==
* [https://www.acib.at acib - Austrian Centre of Industrial Biotechnology]
* [http://centres.exeter.ac.uk/biocatalysis/ The University of Exeter - Biocatalysis Centre]
* [http://www.uiowa.edu/~biocat/ Center for Biocatalysis and Bioprocessing - The University of Iowa]
* [http://www.bt.tudelft.nl/boc TU Delft - Biocatalysis & Organic Chemistry (BOC)]
* [http://www.biocat.rwth-aachen.de/ RWTH Aachen - Juniorprofessur für Biokatalyse]
* [http://www.technical-biocatalysis.com Institute of Technical Biocatalysis at the Hamburg University of Technology (TUHH)]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Enzymkinetik]]
[[Kategorie:Fermentation]]

Biokatalyse - Versionsgeschichte

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