Wie die Entwicklung brandneuer Enzyme unsere Welt verändern könnte

"Wenn DNS der Bauplan des Lebens ist, sind Enzyme die Arbeiter, die ihre Anweisungen ausführen", sagt der Chemische Biologe Adam Garske. In diesem kurzweiligen Vortrag mit Demo zeigt er, wie Forscher heutzutage Enzyme für bestimmte Funktionen bearbeiten und entwickeln können -- um Krankheiten wie Diabetes zu behandeln, energieeffizientes Waschmittel zu entwickeln und sogar Treibhausgase einzufangen -- und er führt auf der Bühne sein eigenes Enzymexperiment durch.

Als Kind in Wisconsin,
verbrachte ich viel Zeit draußen.

Im Frühling roch ich
den berauschenden Duft des Flieders.

Im Sommer liebte ich
das Leuchten der Glühwürmchen,

die durch die schwüle Nacht flogen.

Im Herbst waren die Sümpfe
durch Cranberrys komplett rot.

Selbst der Winter war zauberhaft,

mit Kiefern, die weihnachtliches
Grün verbreiteten.

Die Natur war für mich stets
eine Quelle von Wunder und Inspiration.

Als ich später Chemie studierte,

begann ich die natürliche Welt
auf Molekularebene zu verstehen.

Alles von dem ich gerade sprach,

vom Duft des Flieders und der Kiefern

bis hin zum hellen Rot der Cranberrys
und dem Leuchten der Glühwürmchen,

haben mindestens eine Sache gemeinsam:

Sie sind durch Enzyme verursacht.

Wie gesagt, ich komme aus Wisconsin,
also mag ich natürlich Käse

und die Green Bay Packers.

Sprechen wir mal über Käse.

Seit mindestens 7000 Jahren,

entnahmen Menschen ein Gemisch aus Enzymen

aus Mägen von Kühen, Schafen und Ziegen

und gaben es zu Milch.

Das führt dazu, dass die Milch gerinnt --
es ist Teil der Käseherstellung.

Das Schlüsselenzym
des Gemischs heißt Chymosin.

Ich zeige Ihnen, wie es funktioniert.

Hier habe ich zwei Reagenzgläser,

und ich werde in eines Chymosin geben.

Ein Moment.

Mein achtjähriger Sohn Anthony
war sehr interessiert daran,

mir bei der Demo
für diesen Ted Talk zu helfen.

Also schnitten wir in der Küche Ananas,

entnahmen Enzyme aus roten Kartoffeln

und machten alle möglichen Demos.

Aber am Ende dachten wir,

die Chymosin Demo ist ziemlich cool.

Also, was hier passiert:

das Chymosin schwimmt in der Milch,

und es verbindet sich
mit einem Protein names Casein.

Dann schneidet es
ein Stück vom Casein ab --

wir eine molekulare Schere.

Dieser Schnitt ist es,
der die Milch gerinnen lässt.

Hier sind wir in der Küche
und arbeiten daran.

OK.

Also mischen wir das kurz.

Dann legen wir es zur Seite
und lassen es kurz stehen.

OK.

Wenn DNS der Bauplan des Lebens ist,

sind Enzyme die Arbeiter,
die ihre Anweisungen ausführen

Ein Enzym ist ein Protein und Katalysator,

es beschleunigt eine chemische Reaktion,

so wie das Chymosin dort
die Milchgerinnung beschleunigt.

Aber es geht nicht nur um Käse.

Während Enzyme in unserer Nahrung
eine wichtige Rolle spielen,

sind sie auch an allem anderen beteiligt,

von der Gesundheit eines Kindes

hin zur Lösung der schwersten
Umweltprobleme unserer Zeit.

Die Grundbausteine
von Enzymen sind Aminosäuren.

Es gibt 20 gängige Aminosäuren

und wir kennzeichnen sie normalerweise
mit einzelnen Buchstaben,

es ist wirklich ein Alphabet
aus Aminosäuren.

Im Enzym sind diese Aminosäuren
miteinander verbunden,

wie die Perlen einer Halskette.

Es ist die Identität der Aminosäuren,

welche Buchstaben in der Kette sind

und in welcher Reihenfolge,
welches Wort sie schreiben,

die einem Enzym seine Merkmale gibt
und es von anderen abgrenzt.

Nun faltet sich dieser Strang
aus Aminosäuren,

diese Halskette,

in eine Struktur höherer Ordnung.

Und wenn wir auf Molekulargröße ranzoomen

und uns Chymosin, das Enzym,
das hier an der Arbeit ist, anschauen,

sehen wir das hier.

Es ist voller Fäden und Schleifen,
Spiralen und Kurven,

und nur in dieser Anordnung
funktioniert es.

Heutzutage können wir in Mikroben
Enzyme herstellen,

zum Beispiel in Bakterien oder in Hefe.

Hierzu nehmen wir ein Stück DNS,

das das Enzym,
das uns interessiert, enkodiert,

wir setzen es in die Mikrobe ein,

und wir lassen die Mikrobe
ihre eigene Machinerie verwenden,

um das Enzym für uns zu produzieren.

Also, wenn Sie Chymosin wollten,
bräuchten Sie heute kein Kalb mehr --

Sie könnten es von einer Mikrobe bekommen.

Und noch viel cooler,

wir können heute maßgeschneiderte
DNS Sequenzen einfügen

und damit Enzyme machen,

die es in der Natur gar nicht gibt.

Und es macht wirklich Spaß,

Enzyme für neue Anwendungen zu entwickeln

und die Atome entsprechend anzuordnen.

Enzyme aus der Natur zu nehmen,
und mit den Aminosäuren zu spielen,

die Buchstaben zu verändern,

einige hinzuzufügen, einige wegzunehmen,

sie neu anzuordnen,

das ist ein bisschen wie in einem Buch,

ein paar Kapitel zu bearbeiten,
oder das Ende anzupassen.

2018 wurde der Nobelpreis für Chemie

für die Entwicklung dieses Ansatzes
namens gerichtete Evolution vergeben.

Heute nutzen wir gerichtete Evolution,

um Enzyme für spezielle
Zwecke herzustellen,

zum Beispiel zur Anwendung
in neuen Bereichen,

wie Wäsche waschen.

So wie die Enzyme in Ihrem Körper

helfen Ihre Nahrung zu verdauen,

können Enzyme im Waschmittel helfen,

die Flecken von Ihrer Kleidung zu lösen.

Etwa 90 Prozent der Energie,

die man zum Wäsche waschen braucht,

ist zum Erhitzen des Wassers.

Und das aus gutem Grund --

warmes Wasser macht die Kleider sauber.

Aber was, wenn Sie statdessen
mit kaltem Wasser waschen könnten?

Sie würden sicherlich Geld sparen.

Und außerdem würden wir,

nach einer Rechnung
von Procter und Gamble,

wenn alle Haushalte in den USA
Wäsche mit kaltem Wasser waschen würden.

jedes Jahr 32 Tonnen CO2 Ausstoß sparen.

Das ist viel,

das ist ungefähr so viel,

wie der Austoß von 6.3 Millionen Autos.

Also wie würden wir ein Enzym, das solche
Veränderungen ermöglicht, herstellen?

Enzyme sind nicht zum Waschen
von Kleidung gemacht,

schon gar nicht mit kaltem Wasser.

Aber wir können in der Natur
einen Ausgangspunkt finden.

Wir können ein Enzym finden,

mit dessen natürlicher Aktivität
wir arbeiten können.

Hier auf dem Bildschirm ist
ein Beispiel für so ein Enzym.

Wie gesagt, können wir
mit den Aminosäuren spielen,

ein paar Buchstaben hinzufügen,
ein paar wegnehmen,

ein paar umstellen.

So können wir tausende Enzyme generieren.

Und wir können diese Enzyme nehmen

und sie, wie hier,
auf kleinen Plättchen testen.

Also dieses Plättchen in meiner Hand,

hat 96 Aushöhlungen

und in jeder ist ein Stück Stoff
mit einem Fleck drauf.

Und wir können messen,
wie gut jedes der Enzyme

die Flecken aus dem Stoff entfernt

und so sehen, wie gut es funktioniert.

Wir können das mit Robotertechnik machen,

wie Sie gleich auf
dem Bildschirm sehen werden.

Wenn wir das machen, zeigt sich,

dass einige der Enzyme sich im Rahmen
des Anfangenzyms bewegen.

Das ist kein besonderer Erfolg.

Manche sind noch schlechter,
also werfen wir sie weg.

Aber manche sind besser.

Diese verbesserten Enzyme
werden unsere Version 1.0.

Das sind die Enzyme,
mit denen wir weitermachen

und wir können diesen Zyklus
immer weiter wiederholen.

Und die Wiederholung dieses Zyklus
bringt uns zu einem neuen Enzym,

eines das tut, was wir möchten.

Und nach vielen Zyklen,

fanden wir etwas neues.

Sie könnnen heute im Supermarkt
ein Waschmittel kaufen,

das sie aufgrund von diesen Enzymen
mit kaltem Wasser waschen lässt.

Ich will Ihnen auch zeigen,
wie das funktioniert.

Also habe ich noch zwei Reagenzgläser,

und beide wieder mit Milch.

Also lassen Sie mich zeigen,

einem gebe ich dieses Enyzm bei,

und zu einem gebe ich nur Wasser.

Das ist die Kontrolle,

hier sollte nichts passieren.

Vielleicht finden Sie es seltsam,
dass ich das mit Milch mache.

Aber der Grund dafür ist,

dass Milch einfach voller Proteine steckt

und in einer Proteinlösung kann man
das Enzym gut arbeiten sehen,

es ist ein meisterhafter Proteinschneider,

das ist seine Aufgabe.

Also lassen Sie mich das hier rein tun.

Wie gesagt, es ist ein
meisterhafter Proteinschneider

und was es hier in der Milch tut,

können Sie auf das, was es
in Ihrer Wäsche tut, übertragen

Also so lässt sich visualisieren,
was passieren würde.

Gut, also beide sind drin.

Und ich mische das wieder kurz.

Also stellen wir das hier
zur Chymosin Probe,

ich komme am Ende auf beide zurück.

Also, was ist die Zukunft
der Enzymentwicklung?

Sie wird sicherlich schneller --

es gibt jetzt Methoden
zur Enzymentwicklung,

die Forschern erlauben viel
mehr Proben zu durchlaufen,

als ich Ihnen gezeigt habe.

Und neben dem Verändern
von natürlichen Enzymen,

worüber wir gesprochen haben,

versuchen einge Forscher,
Enzyme komplett neu herzustellen,

mit Hilfe von Maschinenlernen
und künstlicher Intelligenz,

um ihre Form zu bestimmen.

Wieder andere fügen der Mischung
künstliche Aminosäuren hinzu.

Wir sagten, es gibt
20 natürliche Aminosäuren,

die gewöhnlichen Aminosäuren --

sie fügen künstliche Aminosäuren hinzu,

um Enzyme mit Eigenschaften herzustellen,
die in der Natur nicht vorkommen.

Das ist ein sehr spannendes Feld.

Wie werden künstliche Enzyme
Ihr Leben in Zukunft verändern?

Ich will über zwei Bereiche sprechen:

Menschliche Gesundheit und die Umwelt.

Einige Pharmaunternehmen

haben nun eigene Abteilungen
zur Enzymentwicklung,

um effektivere Medikamente mit weniger
giftigen Katalysatoren zu machen.

Zum Beispiel wurde Januvia,

ein Medikament,
das Typ 2 Diabetes behandelt.

teilweise mit Enzymen hergestellt.

Es wird in Zukunft sicher mehr mit
Enzymen hergestellte Medikamente geben.

Außerdem gibt es bestimmte Krankheiten,

bei denen einzelne Enzyme im Körper
nicht richtig funktionieren.

Ein Beispiel hierfür ist Phenylketonurie,

kurz PKU.

Menschen mit PKU können Phenylalanine,
nicht recht verstoffwechseln und verdauen.

Also eines der 20 gängigen Aminosäuren,
über die wir sprachen.

Wenn Menschen mit PKU
Phenylalanine zu sich nehmen,

führt das zu permanenten
geistigen Behinderungen.

Also eine furchteinflößende Erkrankung.

Also die unter Ihnen mit Kindern --

wer von Ihnen hier hat Kinder?

Viele von Ihnen.

Sie haben vielliecht von PKU gehört,

denn alle Kinder in den USA
müssen darauf getestet werden.

Ich weiß noch als Anthony,
mein Sohn, getestet wurde.

Die große Herausforderung dabei ist:
Was kann man essen?

Phenylalanine sind schwer zu vermeiden,
sie sind in so vielen Nahrungsmitteln.

Anthony hat eine Nussallergie,
ich hielt das für schwierig,

aber PKU ist eine komplett andere Ebene.

Aber vielleicht könnten neue Enzyme
bald dafür sorgen,

dass PKU Patienten essen können,
was sie möchten.

Kürzlich ließ die US Arzneimittelbehörde
ein Enzym zur PKU Behandlung zu.

Eine gute Nachricht für die Patienten

und für den Bereich der
Enzymersatztherapie im Allgemeinen,

denn es gibt noch andere Erkrankungen,
wo das ein guter Ansatz wäre.

Also, so viel zur Gesundheit.

Nun zur Umwelt.

Wenn ich vom Müll im Pazifik lese,

also der rießigen Insel aus Plastik,

irgenwo zwischen Kalifornien und Hawai --

und über Mikroplastik überall,

bin ich erschüttert.

Plastik wird nicht
so schnell verschwinden.

Aber Enzyme könnten uns hier auch helfen.

Kürzlich wurden Bakterien mit Enzymen,
die Plastik auflösen, gefunden.

Und es wird schon versucht verbesserte
Versionen dieser Enzyme herzustellen.

Gleichzeitig wurden Enzyme gefunden,

die optimiert werden,

um biologisch abbaubares Plastik ohne
Erdöl als Grundbaustoff herzustellen.

Enzyme könnten auch helfen Treibhausgase,

wie Kohlenstoff, Methan
und Stickstoffoxid einzufangen.

Natürlich sind das große Herausforderungen

und nichts davon ist einfach.

Aber unser Fähigkeit Enzyme zu nutzen,
könnten helfen, sie zu bewerkstelligen,

ich denke, darauf können wir uns freuen.

Also, zurück zur Demo --

zum spaßigen Teil.

Beginnen wir mit den Chymosin Proben.

Ich hole sie eben her.

Und wie Sie sehen,

das ist die mit Wasser,

also sollte mit der Milch
nichts passieren.

Und das ist die mit dem Chymosin.

Sie sehen, sie ist komplett klar.

Da das geronnene Zeug, das ist Käse,

wir haben in ein paar Minuten
Käse gemacht.

Das ist diese Reaktion,

die Menschen seit jahrtausenden nutzen.

Vielleicht zeige ich das bei der nächsten
"Kinder am Arbeitsplatz"- Demo,

aber mal sehen,
sie sind kritische Zuschauer.

(Gelächter).

Und hier ist die andere Probe.

Das ist das Enzym, das Ihre Wäsche wäscht.

Und es sieht anders aus
als die Probe mit Wasser.

Es ist etwas klarer

und genau das wollen Sie
von einem Enzym in Ihrer Wäsche.

Denn sie wollen ein Enzym,

das ein Proteinfresser ist
und alles zerkleinert.

Denn Sie bekommen auf Ihre Kleidung
verschiedene Proteinflecken,

wie Schokomilch oder Grasflecken,

und so etwas wird ihnen helfen,
sie raus zu bekommen.

Und das macht es auch möglich,

die Wäsche in kaltem Wasser zu waschen,

den Kohlenstoffausstoß zu verringern
und Geld zu sparen.

Nun, wir sind weit gekommen.

Wenn man diese 7000-jährige Reise
von Enzymen, die Käse machen,

hin zu heutiger Enzymentwicklung bedenkt.

Wir sind an einem kreativen Scheideweg,

wo wir mit Enzymen bearbeiten können,
was die Natur geschrieben hat

oder mit Aminosäuren
unsere eigene Geschichte schreiben.

Also wenn sie nächstes Mal
in einer schwülen Nacht draußen sind

und ein Glühwürmchen sehen,

hoffe ich, Sie denken an Enzyme.

Sie tun heute schon
fantastische Dinge für uns.

Und durch unser Eingreifen,

könnten sie morgen
noch fantastischere Dinge tun.

Danke.

(Applaus)