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Bernhard Hauer: Spezialauftrag Biokatalyse

Bei allem menschlichen Erfindergeist liefert die Natur doch oft die besten Lösungen. Zum Beispiel bei Enzymen: Im Vergleich zur technisch-chemischen Produktion von industriellen Grundsubstanzen spart die enzymatische Biokatalyse Energie, Rohstoffe, Neben- und Abfallprodukte. Ein Forschungs- und Anwendungsexperte auf diesem Gebiet ist Prof. Dr. Bernhard Hauer, der neue Leiter des Instituts für Technische Biochemie (ITB) an der Uni Stuttgart.

Prof. Dr. Hauer arbeitet seit vielen Jahren an enzymatischen Verfahren zur Herstellung von Chemikalien - sowohl in der Industrie als auch an akademischen Forschungseinrichtungen. © BioRegio STERN/Lehmann

Der neue Mann am ITB ist in Katalysekreisen ein alter Bekannter mit honorigem Ruf. Der Mikrobiologe Bernhard Hauer befasste sich schon während seiner Promotion an der Uni Hohenheim mit Enzymen: Er untersuchte, welche Rolle mikrobielle Enzyme beim Abbau von Stoffwechselprodukten des Mohns in seiner natürlichen Umgebung spielen. Die funktionelle Betrachtung reichte ihm jedoch nicht. Hauer wollte wissen, was genetisch hinter den Enzymaktivitäten steckt. „Ich hatte metabolische Enzyme biochemisch untersucht, mir fehlte jedoch der genetische Hintergrund, um zu erforschen, wie solche Abbauwege kodiert sind, ob die genetische Information dafür zum Beispiel auf Plasmiden zu finden ist", erklärt Hauer.

Deshalb führte ihn sein Weg als Postdoc 1982 zu Prof. James Shapiro an der Universität Chicago. Shapiro ist ein Spezialist für genetisches Engineering und mobile genetische Elemente wie Transposons. Er bot Hauer die Möglichkeit, in seinem Labor enzymatische Stoffwechselfragen von der genetischen Seite her zu erforschen. Noch während seiner Zeit in den USA erfuhr Hauer von einem Freund am Bostoner MIT, dass die BASF in Deutschland ein neues Labor für Biotechnologie aufbauen wollte. Damit sah Hauer seine Chance gekommen, eine eigene, anwendungsorientierte Biokatalyse-Gruppe aufzubauen. Seine familiäre Situation half dem Vorhaben kräftig, denn Hauers Frau lebte nach wie vor in Deutschland und gab seinem Willen zur Rückkehr deutlichen Auftrieb.

Enzymforschung liefert immer neue Fragestellungen

In Ludwigshafen erwartete ihn eine große Herausforderung, alles war neu, es herrschte große Aufbruchstimmung - genau das Richtige für den frisch gebackenen Laborleiter. Je teurer Energie und Rohstoffe wurden, umso mehr Wertschätzung erfuhr der Einsatz von Enzymen in der Produktionstechnik - ein Trend, der nach wie vor anhält. Enzyme arbeiten meist unter Normalbedingungen, während die konkurrierenden chemischen Prozesse häufig unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen ablaufen. „Wir waren immer wieder gefordert, innovative Themen zu finden, haben über die Jahre viele neue Prozesse entwickelt, von der Enzymfindung in Bakterien und Hefen über die Verfahrensentwicklung bis zur Umsetzung“, sagt Hauer. Dabei machte er eine beachtliche Karriere, 1988 wurde Hauer Gruppenleiter für Biokatalyse und Biotransformation, 1999 dann wissenschaftlicher Direktor der Biotechnologie.
Viele Erfolge aus der praktischen Forschung entwickelten sich auch zu erfolgreichen Produkten. Eines kam in Kooperation mit Wissenschaftlern an der Uni Stuttgart zustande. „Wir entwickelten ein Verfahren, bei dem wir nitrilverseifende Enzyme aus Bakterien einsetzten, um aus Blausäure und Chlorbenzaldehyd Chlormantelsäure zu produzieren, eine Grundsubstanz für die Pharmaproduktion“, so Hauer. Dieses Verfahren ging auf ein BMBF-Projekt zurück, bei dem BASF-Wissenschaftler mit Genetikern, Mikrobiologen und Biochemikern der Uni Stuttgart zusammenarbeiteten.

Immer mit einem Bein in der Akademia

Nebenbei hatte Hauer auch noch die Energie und Nerven, seine akademische Laufbahn weiterzuverfolgen. Er lehrte an der Universität Heidelberg, entdeckte mit der Evolution einen Aspekt, unter dem er Enzyme bis dato noch nicht betrachtet hatte und habilitierte schließlich 1996 in Heidelberg mit dem Thema. „Mich interessierte die entwicklungsbiologische Entstehung von Enzymen und vor allem, wie es zu neuen Funktionen kommt“, sagt Hauer. Der umtriebige Forscher hielt zudem Vorlesungen an der ETH Zürich, war Gastwissenschaftler am kalifornischen Caltech und an der Universität von New South Wales in Australien. „Über diese Aktivitäten hatte ich immer einen Fuß in der akademischen Welt“, betont Hauer den Vorteil seines Engagements.

Lipase B wird zur Herstellung von Acrylsäureestern eingesetzt. Es ist eines der Enzyme, mit dem am ITB gearbeitet wird. Die Abbildung zeigt die Überlagerung des aktiven Zentrums der Lipase B aus Pseudozyma antarctica und einer verbesserten Lipase-B-Variante. Katalytisch aktive Aminosäurereste sind rot dargestellt, die Stereoselektivität beeinflussende Aminosäurereste gelb (Lipase B) bzw. orange (Lipase B-Variante). © ITB, Uni Stuttgart

Mit der BASF hatte er einen Arbeitgeber, der akademische Aktivitäten nicht nur tolerierte, sondern auch förderte, was damals für das Unternehmen aber (noch) nicht selbstverständlich war. „Man hat oft Chancen. Man muss eben einfach auch mal fragen, ob es geht und dann geht man so weit, bis man gestoppt wird", reflektiert Hauer und sieht diese Strategie auch dadurch bestätigt, dass die BASF gute Erfahrungen mit akademischen Ausflügen dieser Art gemacht hat: „Heute ist das institutionalisiert, die Mitarbeiter können auf ‚Senior Research Level' regelmäßig Erfahrungen in der akademischen Welt sammeln.

Sein Forscherdrang verhalf ihm auch zu einigen Auszeichnungen. So erhielt er 1997 den BASF Innovationspreis für die Entwicklung kommerzieller biotechnologischer Produktionsverfahren und den Dechema-Preis 2003 der Max-Buchner-Forschungsstiftung. Schließlich brachte ihn seine Affinität zu akademischen Fragen zurück an die Uni. „Ich wollte Fragen aus der praktischen Umsetzung wieder an die Uni bringen. Auch der Reiz, nochmal grundlegenden Fragen nachzugehen und eigene Ideen stärker zu verfolgen, spielte eine Rolle. Außerdem fand ich es immer attraktiv, mit hoch motivierten jungen Leuten zu arbeiten", so Hauer.

Den Blick stets auf neue Horizonte gerichtet

Passend zum Trend an der Uni Stuttgart, einen Schwerpunkt Materialwissenschaften aufzubauen, will Hauer biokatalytische Methoden entwickeln, um neue Substanzen und Materialien zu kreieren: „Ich könnte mir gut vorstellen, dass wir in Zukunft ganze Enzymketten nutzen und eventuell auch neue Enzyme schaffen, um auf besonders effizientem Weg Grundchemikalien wie Alkohole oder Biopolymere herzustellen.“

In der Lehre ist es ihm besonders wichtig, neben Fachkenntnissen auch effektive Herangehensweisen zu vermitteln. „Ich möchte den Studierenden nahe bringen, wie Projekte entstehen und was man wissen muss, um Verfahren umzusetzen. Außerdem lege ich sehr viel Wert darauf, Offenheit zu vermitteln und wie wichtig es ist, auf andere zuzugehen, auch sprachlich, um grenzüberschreitend mit Vertretern anderer Disziplinen zusammenzuarbeiten“, betont Hauer.

Die Vielseitigkeit prägt auch sein Privatleben. Der zweifache Vater ist leidenschaftlicher Kunstliebhaber und -sammler. „Ich bin so ein Augenmensch. Auch die Biologie hat ja viel mit Anschauung zu tun, und das Auge ist schließlich ein ganz wichtiger Eingangskanal“, so Hauer. Guten Weitblick braucht er jedenfalls für sein zweites Hobby, das Segeln. „Mit Forscherkollegen habe ich schon den einen oder anderen großen Segeltörn gemacht. Mal sehen, ob ich auch hier eine Gruppe dafür begeistern kann“, hofft der Institutschef.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Ein Plasmid ist ein extrachromosomales, ringförmiges DNA-Molekül, das bei Bakterien und Hefen vorkommt und sich unabhängig vom Hauptchromosom vermehren kann. Häufig tragen Plasmide Gene für Resistenzfaktoren (z. B. gegen Antibiotika), die den Trägern einen Selektionsvorteil vermitteln. Wenn die Gegenwart eines Plasmids für ein Bakterium keinen Überlebensvorteil bietet, dann verliert es dieses mit der Zeit. Plasmide mit Transfergenen können von einem Bakterium auf ein anderes übertragen werden.
  • Ein Transposon ist ein springendes Gen, also ein DNA-Abschnitt, der sich selbst in verschiedene Genom-Abschnitte einbauen kann.
  • Die Biokatalyse ist die effiziente Herstellung von chemischen Stoffen mit Hilfe von Mikroorganismen oder Enzymen.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Ein Katalysator ist ein Stoff, der selektiv eine bestimmte chemische oder biochemische Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herunter setzt. Der Katalysator selbst wird dabei nicht verbraucht.
  • Lytisch zu sein ist die Eigenschaft eines Bakteriophagen, seine Wirtszelle bei der Infektion zu zerstören.
  • Ein Plasmid ist ein extrachromosomales, ringförmiges DNA-Molekül, das bei Bakterien und Hefen vorkommt und sich unabhängig vom Hauptchromosom vermehren kann. Häufig tragen Plasmide Gene für Resistenzfaktoren (z. B. gegen Antibiotika), die den Trägern einen Selektionsvorteil vermitteln. Wenn die Gegenwart eines Plasmids für ein Bakterium keinen Überlebensvorteil bietet, dann verliert es dieses mit der Zeit. Plasmide mit Transfergenen können von einem Bakterium auf ein anderes übertragen werden.
  • Transformation ist die natürliche Fähigkeit mancher Bakterienarten, freie DNA aus der Umgebung durch ihre Zellwand hindurch aufzunehmen. In der Gentechnik wird die Transformation häufig dazu benutzt, um rekombinante Plasmide, z. B. in E. coli, einzuschleusen. Hierbei handelt es sich um eine modifizierte Form der natürlichen Transformation.
  • Ein Transposon ist ein springendes Gen, also ein DNA-Abschnitt, der sich selbst in verschiedene Genom-Abschnitte einbauen kann.
  • Die Biokatalyse ist die effiziente Herstellung von chemischen Stoffen mit Hilfe von Mikroorganismen oder Enzymen.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Der Metabolismus oder auch Stoffwechsel umfasst Aufnahme, Transport, biochemische Umwandlung und Ausscheidung von Stoffen in einem Organismus. Diese Vorgänge dienen sowohl dem Aufbau der Körpersubstanz als auch der Energiegewinnung. Die beiden gegensätzlichen Vorgänge des Metabolismus werden Anabolismus (aufbauende Vorgänge) und Katabolismus (abbauende Vorgänge) genannt. Viele Enzyme können sowohl katabol als auch anabol wirken, jedoch arbeiten solche Enzyme innerhalb eines biochemischen Weges in der Zelle (z.B. Glykolyse und Gluconeogenese) nicht in beiden Richtungen zugleich.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/bernhard-hauer-spezialauftrag-biokatalyse/