Biokatalizatory na potrzeby wytwarzania bardziej ekologicznych chemikaliów
Kataliza odgrywa bardzo ważną rolę w przemyśle chemicznym. Większość przemysłowych procesów syntezy chemikaliów wykorzystuje katalizatory do przyspieszenia lub inicjacji procesu utleniania przemysłowego. Jednak utlenianie chemiczne może często prowadzić do niepożądanych skutków ubocznych dla środowiska, ponieważ wymaga zastosowania szkodliwych rozpuszczalników lub związków toksycznych. Materiały utleniające również stwarzają ryzyko eksplozji lub wysoce egzotermicznej reakcji. Zespół finansowanego ze środków UE projektu BIOOX, w którym uczestniczyło 11 partnerów z wiodących europejskich firm i uniwersytetów, skupiał się na potrzebie opracowania nowych, wydajnych ekologicznie i bezpieczniejszych procesów produkcyjnych na potrzeby przemysłu chemicznego i użytkowników końcowych. Katalizatory z żywych organizmów Bioprocesy mają potencjał, aby stać się alternatywą dla stosowanych obecnie niebezpiecznych i szkodliwych dla środowiska procesów utleniania chemicznego. Wykorzystywanie reakcji chemicznych, które zachodzą w komórkach organizmów żywych, może zapewnić bezpieczniejszy i bardziej przyjazny dla środowiska sposób wytwarzania substancji chemicznych, który dostarcza czyste produkty przemysłowe o wysokiej jakości. „Aerobowe biokatalityczne reakcje utleniania mają obecnie największy wpływ na przyszłe wykorzystanie biotechnologii przemysłowej w Europie”, zauważa prof. John Whittall. Biokataliza od dawna jest uważana za czystą, energooszczędną i bezpieczną metodę transformacji oksydacyjnych, która stanowi podstawę życia wszystkich tlenowców. Jednak, jak wyjaśnia prof. Whittall, „reakcje biokatalityczne nie zostały szeroko wdrożone w procesach produkcji chemicznej z powodu braku dostępnych silnych i selektywnych enzymów oksydacyjnych”. Głównym problemem jest to, że środowisko utleniania jest szkodliwe dla enzymów. Zatem ogólnym celem projektu BIOOX było opracowanie silnych enzymów o wystarczającej aktywności, które można wytworzyć przy rozsądnych kosztach. Postępy projektu Bioutlenianie charakteryzuje się względnie łagodnymi warunkami reakcji i wyjątkową selektywnością i często prowadzi do transformacji prekursorów, które są trudne do uzyskania za pomocą tradycyjnych procesów chemicznych. Prace projektowe były ukierunkowane na opracowanie zaawansowanych narzędzi do wytwarzania enzymów, które syntezują i utleniają alkohole. Nowe zaawansowane narzędzia bioinformatyczne umożliwiły naukowcom badanie aktywności szerokiej gamy różnych biokatalizatorów, w tym oksydaz i cytochromów P450. Po wybraniu różnorodnych enzymów o przewidywanych właściwościach zespół projektu BIOOX opracował zaawansowaną technikę zwaną „fermentatorem w kolbie” w celu poprawy najlepszych właściwości enzymów i zwiększenia ich uzysku ze zmodyfikowanych szczepów bakterii. Naukowcy z powodzeniem zademonstrowali syntezę hydroksylowanych kwasów tłuszczowych, alkenów i terpenów funkcjonalizowanych grupami tlenowymi poprzez enzymy cytochromu p450. Używając enzymów oksydazy alkoholowej, wytworzyli również duże ilości aldehydów. Następnie zespół eksperymentował z zaawansowanymi metodami fermentacji w celu wytworzenia pożądanych enzymów przy niewysokim koszcie. Konsorcjum zwiększyło również skalę zastosowania nowo opracowanych reaktorów – obsługujących procesy wsadowe i ciągłe – do oceny przez partnerów branżowych. Ogólnie projekt BIOOX dostarczył nowej wiedzy na temat enzymów i procesów, które są wymagane do opracowania nowych przemysłowych reakcji bioutleniania. „Głównym celem było przeprowadzenie reakcji utleniania na potrzeby niskokosztowej produkcji środków chemicznych na skalę przemysłową i pokazanie użytkownikom, że biokataliza nie jest ciekawostką naukową, ale może zostać przekształcona w narzędzie do wykorzystania w wielu dziedzinach”, stwierdza prof. Whittall. Osiągnięcia projektu obejmują technologie do zastosowań na różnych rynkach, w tym chemikaliów i półproduktów, biopolimerów, produktów konsumpcyjnych oraz aromatów i zapachów. Dzięki postępom poczynionym przez zespół projektu BIOOX biokataliza powinna stać się rutynową technologią w branży biotechnologicznej, co przyczyni się również do rozwoju europejskiej biogospodarki opartej na wiedzy.
Słowa kluczowe
BIOOX, enzymy, biokatalizatory, biokataliza, utlenianie chemiczne, bioutlenianie