Wie aus Holzresten Arzneimittel werden
Wie aus Holzresten Arzneimittel werden
fwf.ac.at: Katalin Barta entwickelt Lösungen für eine grüne, nachhaltige Chemie. Aus dem Holzbestandteil Lignin will sie Moleküle für die Pharmaindustrie gewinnen – energiearm, effizient, mit neuen Lösungsmitteln und deutlich weniger Abfall als in der Petrochemie. Für ihre Arbeiten erhielt die mehrfach ausgezeichnete Chemikerin der Universität Graz kürzlich den Zero Emissions Award.
Praktisch unser gesamtes Konsum- und Wirtschaftsleben hängt am fossilen Tropf. Vom Auto bis zur Zahnbürste, vom Acker bis zur Babywindel sind wir abhängig von den unzähligen, über Jahrzehnte hinweg „optimierten“ und in der Herstellung vergleichsweise günstigen Verfahren und Erzeugnissen der petrochemischen Industrie. Eine Möglichkeit des Gegensteuerns läge in der Kreislaufwirtschaft. Bis dato sind deren Erfolge allerdings überschaubar.
„Bioraffinerie, also die chemische Verarbeitung von Biomasse, ist noch immer zu teuer“, sagt Katalin Barta. Um konkurrenzfähig und gleichzeitig nachhaltig zu werden, brauche es ganz neue Ansätze. „Wir müssen jeden Schritt im Kreislauf von Grund auf neu denken: von der Gewinnung der Biomasse über die Produktion bis zum Recycling.“ Von Grund auf bedeutet für die Expertin für grüne Chemie: angefangen auf Ebene der Moleküle.
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„Ich sage immer, die Kreislaufwirtschaft wird einen starken Anteil Chemie brauchen“, betont Barta. Grüne Chemie arbeitet energieeffizient, auf Basis nachhaltiger Rohstoffe, ohne giftige Ausgangsmaterialien, Abfälle oder Endprodukte. „Und jedes Material, das wir entwickeln, soll am Ende ebenfalls energieeffizient, gesundheitlich unbedenklich und – im Falle von Polymeren – auch einfach wieder recycelbar sein.“ Und das alles bei deutlich niedrigeren Kosten. Die hochgesteckten Ziele können nur gelingen, wenn jeder einzelne Schritt im Prozess von Anfang an berücksichtigt wird. „Es ist also ein holistischer Ansatz.“
Ein biologisches Material, das es Barta angetan hat, ist Lignin. Dieses „Baugerüst“ macht Pflanzen und Bäume stabil. In der Holzverarbeitung, zum Beispiel bei der Papierproduktion, fallen große Mengen davon als Nebenprodukt an. „Wenn wir mit Lignin arbeiten wollen, ist die Steiermark der perfekte Ort“, lacht Barta, die seit 2019 eine Professur für Chemie an der Universität Graz innehat und den Bereich „nachhaltige Katalyse“ leitet. Im Rahmen des vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekts „WoodValue: Nachhaltige Wege zu bioaktiven Heterocyclen aus Holz“ möchte sie aus Lignin neue bioaktive Moleküle und Medikamente gewinnen.
Zero Emissions Award
Bei Österreichs größtem privat finanziertem Forschungspreis können Forschende aller Disziplinen für klimarelevante Projekte einreichen. Durch die alpha+ Stiftung des FWF stehen jährlich 900.000 Euro bereit, um die Energiewende durch evidenzbasiertes Wissen aus der Grundlagenforschung voranzutreiben.
Eine harte Nuss
Lignin ist ein herausforderndes Material. „Es schützt das Holz vor dem Zerfall, ist also besonders widerstandsfähig“, erklärt die Forscherin. Für die Chemie ist es deshalb besonders interessant, weil Lignin die größte natürliche Quelle für Aromaten ist.
Aromaten – die nichts mit Aroma zu tun haben – sind ringförmige, besonders stabile Moleküle aus Kohlenstoffatomen. Sie sind die Grundbausteine der organischen Chemie und stecken in unzähligen Produkten, von Plastik über Epoxidharze, Farbstoffe und Weichmacher bis hin zu Pestiziden oder Pharmazeutika.
Bisher werden Aromaten fast ausschließlich aus Erdöl gewonnen. Um daraus wieder komplexere Materialien zu machen, müssen die vergleichsweise einfachen Moleküle wieder neu zusammengefügt werden – vergleichbar mit einzelnen Legosteinen. Jeder der Syntheseschritte, mit denen die Bausteine zusammengefügt werden, braucht allerdings ebenfalls Energie und chemische Hilfsmittel wie Lösungsmittel, Reagenzien und Katalysatoren. Außerdem entstehen bei jedem Schritt teils unerwünschte Abfälle.
Die Komplexität annehmen
„Unsere Prämisse lautet: Wenn wir von einem natürlichen Ausgangsmaterial wie Lignin oder daraus gewonnenen Aromaten ausgehen, bestehen die schon von vornherein aus mehreren Legosteinen“, erklärt Barta. „Im Vergleich zu Erdöl brauchen wir dann viel weniger Schritte, um komplexe Moleküle aufzubauen.“
Barta nennt das „die Komplexität annehmen“ (embrace the complexity). „Dieses Vorgehen erlaubt uns, in deutlich weniger Schritten zu einem nützlichen Produkt zu gelangen.“ Ihre Gruppe hatte damit auch schon Erfolg: „Uns ist zum Beispiel gelungen, Dopamin, ein bekanntes pharmazeutisches Mittel, aus Lignin herzustellen.“
Parallel dazu arbeitet Bartas Team immer auch an neuen Synthese- und Katalysemethoden. „Wir haben eine Methode entwickelt, um bestimmte Moleküle, die sehr schwer herzustellen sind, wie Benzoaxine, in nur drei Schritten aus Holzspänen oder Hackschnitzeln zu gewinnen. Aus Erdöl bräuchten wir 13 Schritte.“
13 eingesparte Syntheseschritte: Das verbessert nicht nur die Energiebilanz, sondern auch den E- oder environmental Faktor. Die in der grünen Chemie wichtige Maßzahl gibt an, wie viele Einheiten Abfall pro Einheit Endprodukt bei der Produktion anfallen, etwa Lösungsmittel, verbrauchte Katalysatoren oder Nebenprodukte chemischer Prozesse. Je kleiner der E-Faktor, umso umweltfreundlicher und effizienter ist der Prozess und das Produkt. In der Pharmaindustrie kann er bis zu 100 betragen: 100 Kilogramm Abfall pro Kilogramm Medikament. „Diese Art Abfall ist sehr teuer. Und auch sonst hat die Branche großes Interesse an effizienteren Prozessen.“
Auf dem Weg zu grünen Medikamenten
Ob die Industrie die neue Methode aus Graz schon wahrgenommen hat, weiß die Wissenschaftlerin zwar nicht; aber die Scientific Community war begeistert. Auch der privat gestiftete Zero Emissions Award für klimarelevante Grundlagenforschung, den Barta im Oktober von der alpha+ Stiftung des FWF bekommen hat, würdigt den nachhaltigen Ansatz.
Im Rahmen des WoodValue-Projekts hofft Barta, weitere pharmazeutisch verwendbare Moleküle aus Lignin zu gewinnen. „Wir können entweder nachbauen, was es schon gibt, wie das Dopamin, oder wir erzeugen gänzlich neue Moleküle.“
Neu bedeutet allerdings auch, dass die Verbindungen erst getestet werden müssen: Sind sie antibakteriell? Wirken sie gegen Krebs? Für diesen aufwändigen Teil der Entwicklung kooperiert Barta mit der deutschen Helmholtz-Gesellschaft – die bei fast einem Drittel ihrer Dutzenden bisher gefundenen Verbindungen bereits positive Eigenschaften festgestellt hat.
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