Manche kennen vielleicht noch den Werbeslogan „Karton wird aus Holz gewonnen. Und Holz wächst wieder nach“. Nun sollen auch Arzneistoffe aus Holz entstehen. Damit befasst sich die Wissenschaftlerin Katalin Barta aus Graz. Sie möchte aus dem Holzbestandteil Lignin künftig Grundbausteine für die Pharmaindustrie schaffen. Die Abläufe sollen zudem auch energieärmer und effizienter sein und für deutlich weniger Abfall sorgen.
Viele Arzneistoffe sowie Salbengrundlagen mit Vaseline oder Paraffin enthalten Aromaten als wichtige strukturelle Elemente. Diese ringförmigen Kohlenwasserstoffe sind ein wichtiger Grundbaustein der organischen Chemie. „Gewonnen werden aromatische Kohlenwasserstoffe fast ausschließlich aus Erdöl. Bei deren Herstellung wird jedoch eine Menge Energie, Lösungsmittel und Katalysatoren verbraucht. Weiters entstehen bei den einzelnen Syntheseschritten unerwünschte Abfälle“, erklärt die Chemikerin Katalin Barta.
„Bioraffinerie, also eine chemische Verarbeitung von Biomasse, ist immer noch zu teuer“, gibt sie zu bedenken. Daher müsse man die die Gewinnungsschritte von Grund auf neu denken – auf molekularer Ebene. Ihr Ziel ist es die Reaktionen energieeffizient und auf Basis nachhaltiger Rohstoffe ablaufen zu lassen. Giftige Abfälle oder Endprodukte würden dabei keine mehr anfallen. Die Kosten wären deutlich reduziert und man könne im Zweifelsfall Polymere wieder recyceln. „Es ist also ein holistischer Ansatz“, erklärt sie ihre Denkweise.
Lignin – natürliche Quelle für Aromaten
Die Wissenschaftlerin hat es sich zum Ziel gesetzt, durch neuartige Synthesewege bioaktive Moleküle und Medikamente zu gewinnen. Besonders angetan hat es ihr der Stoff Lignin. Sie nutzt das Biopolymer als natürliche Quelle für Aromaten. Dieser wesentliche Bestandteil von Holz setzt sich aus verschiedenen Monomerbausteinen zusammen und bildet die stabile Zellwand von verholzten Pflanzen. Dazu erzählt Barta: „Wenn wir mit Lignin arbeiten wollen, ist die Steiermark der perfekte Ort. Hier fällt viel davon in der Holzverarbeitung an.“
Dopamin aus Lignin
Sie erklärt: „Unsere Prämisse lautet: Wenn wir von einem natürlichen Ausgangsmaterial wie Lignin oder daraus gewonnenen Aromaten ausgehen, bestehen diese schon von vornherein aus mehreren Bausteinen. Im Vergleich zu Erdöl brauchen wir dann viel weniger Schritte, um komplexe Moleküle aufzubauen.“
Ihre Forschungsgruppe konnte auch schon Erfolge erzielen: „Uns ist es zum Beispiel gelungen Dopamin aus Lignin herzustellen.“ Weiters konnten sie aus Holzbestandteilen bereits einerseits den kardioselektiven Betablocker Esmolol herstellen und andererseits das vielseitige Benzomorpholin-Gerüst sowie bioaktive Indole zugänglich machen. „Wir können entweder nachbauen, was es schon gibt, wie das Dopamin, oder wir erzeugen gänzlich neue Moleküle.“ Im Rahmen des WoodValue-Projekts möchte Barta weitere pharmazeutisch relevante Moleküle aus Lignin herstellen.
Grüne Medikamente?
Diese Neuartigkeit bedeutet allerdings auch, dass die Verbindungen erst auf ihre Wirkung getestet werden müssen. In Kooperation mit der deutschen Helmholtz-Gesellschaft werden die Moleküle beispielsweise auf eine antibakterielle Wirksamkeit untersucht. Bei fast einem Drittel ihrer bisher gefundenen Verbindungen konnten positive Eigenschaften festgestellt werden.
Neben der Herstellung von pharmazeutischen Mitteln arbeiten sie und ihr Team auch an der Findung neuer 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.“
Diese eingesparten Schritte verbessern die Energiebilanz und den sogenannten E-Faktor (environmental factor), eine wichtige Maßzahl in der „grünen Chemie“. Sie gibt an, wie viele Einheiten Abfall pro Einheit Endprodukt bei der Produktion anfallen, etwa Lösungsmittel, verbrauchte Katalysatoren oder Nebenprodukte chemischer Prozesse. Sie erklärt: „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 kg Abfall pro Kilogramm Medikament. Diese Art Abfall ist sehr teuer. Und auch sonst hat die Branche großes Interesse an effizienteren Prozessen.“
Umweltfreundliche Tenside
Auch die Herstellung umweltfreundlicher Tenside, wie sie in Shampoos, Kosmetika oder Waschmitteln enthalten sind, liegt Barta am Herzen. 2021 wurde das Projekt durch eine europäische Forschungsförderung unterstützt, die den Übergang von der Forschung in eine mögliche Unternehmensgründung ermöglicht. Derzeit werden noch Kooperationspartner gesucht. „Es wäre wirklich fantastisch und motivierend für das ganze Team, eigene biobasierte Produkte auf den Markt zu bringen“, erklärt Barta abschließend. Für ihre Arbeit wurde die Chemikern mit dem Zero Emissions Award ausgezeichnet.