Seit mehr als 5000 Jahren nutzen Menschen bereits biotechnologische Vorgänge, beispielsweise um Nahrungsmittel wie Brot, Käse, Wein oder Bier herzustellen. Heute deckt die moderne Biotechnologie die Nachfrage nach immer komplexeren Molekülen, die sich durch klassische chemische Synthese oft nur schwer oder bedingt herstellen lassen. Mit biotechnologischen Methoden können Produkte wie Proteine, Aminosäuren und andere chirale Verbindungen häufig leichter, schneller und kostengünstiger gefertigt werden. Genutzt wird dies u.a. im Pharma-Bereich.

Die natürliche Aminosäure L-Cystein ist nicht nur Ausgangsmaterial für wichtige pharmazeutische Wirkstoffe, sondern dient auch als Prozesshilfsmittel bei der Proteinwirkstoffproduktion, zur Herstellung von Aromen, als Baustein in der Peptidsynthese und ist Bestandteil von Nährmedien für die bakteriologische Diagnostik. Vielerorts wird L-Cystein noch traditionell, d.h. aus menschlichen oder tierischen Quellen wie Haaren, Federn oder Schweineborsten, extrahiert. Der Chemiekonzern Wacker hat ein Verfahren entwickelt, das zum einen deutlich effizienter ist, und bei dem zudem „saubere“ Biotechnologie die traditionelle Herstellung ersetzt: Die Aminosäure wird dabei durch Fermentation mit Hilfe von Bakterien gewonnen. Die Cystein-Produkte sind dadurch vegan und konform mit allen wichtigen Nahrungsmittel- und Pharma-Qualitätsstandards.

Cystein nimmt unter den Aminosäuren eine Sonderstellung ein, da es die einzige Aminosäure mit einer redoxaktiven Seitenkette (Thiolgruppe) ist und daher chemische Reaktivität entfalten und zum Beispiel Disulfid-Bindungen in Proteinen reduzieren kann. Dieses Eigenschaftsprofil wird in vielen Industrien breit genutzt (siehe Kasten).

Viele Fertiggerichte, beispielsweise Instant-Nudelsuppen, enthalten oft Aromen, die aus Cystein tierischer Herkunft gewonnen werden. Das Wacker-Cystein entsteht dagegen durch Fermentation aus Glucose und anorganischen Salzen und ist daher halal, koscher und vegan. (Foto: Wacker Chemie).

Der vielfältige Einsatz der schwefelhaltigen Aminosäure bzw. dessen Herstellung ist jedoch problematisch, denn Cystein wird immer noch vorwiegend durch Extraktion aus tierischem Keratin gewonnen. Besonders das Protein der tiefschwarzen Haare asiatischer Menschen hat mit ca. 16 % einen relativ hohen Gehalt an der oxidierten Form des Cysteins, dem Cystin. Der Herstellprozess durch salzsaure Hydrolyse, fraktionierte Kristallisation und Elektrolyse ist wenig effizient und belastet die Umwelt. Zudem stößt in den letzten Jahren – angeregt durch Krisen wie BSE, SARS und Hühnerpest – die Verwendung von tierischen und menschlichen Rohstoffen im Pharma- und Lebensmittelsektor zunehmend auf Vorbehalte und gesetzliche Beschränkungen. So schreibt die amerikanische FDA (Food and Drug Administration) die Erstellung eines „viral safety dossier“ vor, wenn Rohstoffe animalischer oder humaner Herkunft eingesetzt werden, damit keine Viren oder Prionen enthalten sind. Die EU hat die Anwendung von Cystein aus Menschenhaar in Lebensmitteln bereits verboten.

Fermentation mit Überschussproduktion
Bei dem Wacker-Verfahren wird die Aminosäure fermentativ aus Glucose und anorganischen Salzen und mithilfe von metabolisch optimierten Escherichia-coli-Bakterien gewonnen. Eingesetzt wird der Sicherheitsstamm E. coli K12, der von Natur aus in der Lage ist Cystein aus Zuckern und Mineralsalzen durch seinen Stoffwechsel zu synthetisieren.

Einsatz als Hustenlöser: Cystein zerstört die Disulfidbrücken von Proteinen, die im Bronchialschleim vorhanden sind, und verflüssigen so den Schleim (Foto: Wacker Chemie).

Der Stoffwechsel der Bakterien wurde dabei so optimiert, dass sie weit mehr L-Cystein produzieren, als ihrem eigenen Bedarf entspricht. Der vegetarische Fermentationsprozess findet in wässrigem Medium bei pH 7 und Temperaturen zwischen 30 und 35 °C statt. Wegen der Anwesenheit von Sauerstoff wird das bakteriell erzeugte L-Cystein anschließend zu wenig löslichem L,L-Cystin oxidiert. Die entstehenden Cystinkristalle werden abgetrennt und gereinigt, das hochreine L,L-Cystin wird entweder direkt als Arzneimittelausgangsmaterial verkauft oder elektrolytisch zu L-Cystein reduziert. Diese Methode hat gleich mehrere Vorteile:

• Sie ist hocheffizient: 90 Prozent des Bakteriencysteins gehen ins Endprodukt – beim klassischen Verfahren der Extraktion aus Haaren sind es nur 60 Prozent. Außerdem wird nur ein Kilogramm Salzsäure für ein Kilogramm Cystein benötigt. Gewinnt man Cystein aus Haaren, müssen 27 Kilogramm Salzsäure für ein Kilogramm Cystein eingesetzt werden.
• Sie vermeidet unerwünschte Verunreinigungen: Da als Ausgangsstoffe nur Zucker, Salze und Spurenelemente verwendet werden, können keine Krankheitserreger im Endprodukt sein. Das Wacker-Cystein hat Pharmaqualität (Reinheit i.d.R. > 98,5 % entsprechend Eur. Ph.), und der Anteil des D-Enantiomers ist meist nicht detektierbar (i.d.R. < 0,1 %). Das Produkt entspricht somit den Standards der Pharma- und Lebensmittelindustrie sowie den Vorschriften der europäischen, US-amerikanischen und japanischen Pharmakopöen. Zudem wird die Aminosäure ausschließlich aus pflanzlichen und anorganischen Rohstoffen gewonnen, so dass das Produkt vegetarisch, koscher und halal ist.
• Sie ist umweltverträglich: Es werden keine organischen Lösungsmittel eingesetzt, die Fermentationsbrühe kann als Düngemittel entsorgt werden. Dank der einfachen Herstellung im industriellen Maßstab liefert Wacker das Cystein auch in großtechnischen Mengen in konstanter Produktqualität.

Fazit
Das genannte Beispiel L-Cystein belegt eindrucksvoll die Möglichkeiten, die die moderne Biotechnologie für Forschung, Industrie und Wirtschaft bietet. Innovative Verfahren eröffnen oftmals neue Wege um wichtige Grundstoffe für den Pharmabereich, die Lebens- und Futtermittelindustrie oder die Kosmetikbranche zu fertigen. Das größte Potenzial birgt daher meist der kombinierte Einsatz von biotechnologischem und chemischem Know-how.

Verena Klaus, Business Development Manager Nutrition, Dr. Silke Dlugai-Esser, Marketing Manager Pharma, Wacker Biosolutions

Der Einsatz von Cystein in der Industrie
Medizin:

• Im Pharmabereich wird L-Cystein als Ausgangstoff zur Herstellung der Cysteinderivate N-Acetyl-L-cystein und S-(Carboxymethyl)-L-cystein verwendet. Beide Derivate dienen therapeutisch als Mucolyticum: Die SH-Gruppen spalten die Disulfidbrücken von Proteinen, die im Bronchialschleim vorhanden sind, und verflüssigen so den Schleim.
• Insbesondere auf dem US-amerikanischen Markt wird N-Acetyl-L-cystein als Nahrungsergänzungsmittel eingesetzt, da es den Glutathionspiegel erhöht und dadurch die Redoxaktivität, insbesondere der Leberzellen, erhöht. Weiter dient L-Cystein als Prozesshilfsmittel zum Umfalten von gentechnisch hergestellten Protein-Wirkstoffmolekülen, zum Beispiel bei der Produktion von Humaninsulin. Auch hier werden mithilfe der SH-Gruppen falsch geknüpfte Disulfidbrücken aufgebrochen, um sie anschließend korrekt positionieren zu können. L-Cystein wird außerdem als Baustein für Protein- und Peptidwirkstoffe benotigt.
• In der medizinischen Diagnostik fungiert Cystein als Bestandteil von Nährmedien, etwa von Agarplatten und Nahrlösungen fur die Anzucht von Bakterien.

Kosmetik:

• In der Kosmetikbranche wird L-Cystein in Anti-Aging-Präparaten als Radikalfänger genutzt, um Alterungsprozesse etwa der Haut zu verzögern.
• Im japanischen Markt verwendet man L-Cystein anstelle der in Europa gebräuchlichen, unangenehm riechenden Thioglycolsäure zur Vorbereitung der Haare fur Dauerwellen.
• In Ländern wie Brasilien und Indien ist eine Cystein-basierte Haarglättung ein aktueller Trend, da Cystein hier schonender agiert als die Keratin-basierte Behandlung. Die Aminosäure löst die Disulfidbrücken des Keratins im Haar, lockert so die Haarstruktur und macht die Haare verformbar.

Lebensmittel:

• Immer wichtiger wird heute der Einsatz von L-Cystein in der Lebensmittelbranche: Hier wird die Aminosäure beispielsweise im Bereich der Fleisch- und Röstaromen eingesetzt.
• Bei der Verarbeitung von Brotteig und anderen Teigsorten dient L-Cystein dazu, das im Mehl enthaltene Gluten aufzubrechen. Der Teig lässt sich dann wesentlich leichter kneten und verarbeiten.