Photoenzymatische Kaskadenreaktionen: Photokatalytische in-situ Wasserstoffperoxid-Produktion für die Biokatalyse mit Peroxidasen

Enzyme wie Oxidoreduktasen sind zunehmend an Bedeutung gewinnende Katalysatoren bei der Synthese komplexer organischer Verbindungen. Sie ermöglichen auffallend selektive und effiziente Reaktionen und demzufolge häufig nachhaltige Prozesse. Der Einsatz von Enzymen in der Industrie ist oftmals erschwert durch die Notwendigkeit von komplexen und hochpreisiger Cofaktoren. Die Enzymklasse der Peroxygenasen besitzt den Vorteil mit Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ein günstiges und einfach herzustellendes Cosubstrat verwenden zu können. Eine Herausforderung beim Einsatz dieser Enzyme ist jedoch ihre Instabilität gegenüber eben diesem Cosubstrat. Eine elegante Lösung dem entgegenzuwirken ist die in-situ Erzeugung von H₂O₂ im sub-millimolaren Konzentrationsbereich. Dies kann beispielsweise durch photokatalytische Reduktion von Sauerstoff zu H₂O₂ erfolgen.

In einem vorangegangenen Projekt wurde hierfür Titandioxid (TiO₂) als Photokatalysator ausgiebig untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass photokatalytisch erzeugte Hydroxylradikale sowie UV-Licht, welches zur Ladungsträgertrennung bei TiO₂ benötigt wird, die Enzyme stark inaktivieren.

Ziel des jetzigen Projektes ist es Strategien zu entwickeln, die Bildung dieser Radikale bei einer ausreichend hohen H₂O₂-Produktion zu unterbinden und dabei im Optimalfall energieärmeres sichtbares Licht zu nutzen. Hierfür sollen verschiedene Photokatalysatorsysteme untersucht werden und geeignete Kandidaten in der Photoenzymkatalyse, wie sie in der Abbildung schematisch dargestellt ist, eingesetzt werden.