Powstaje zestaw enzymów utleniających pełniących rolę narzędzi biokatalitycznych dla zielonej chemii
Przemiany chemiczne w przemyśle są zazwyczaj prowadzone w trudnych warunkach (wysokiej temperatury i ciśnienia) i często wymagają toksycznych substancji chemicznych oraz generują niebezpieczne produkty uboczne. W poszukiwaniu bardziej ekologicznych alternatyw opracowano enzymy uważane za substytut katalizatorów chemicznych – proces ten określany jest jako biokataliza. Enzymy zazwyczaj działają w łagodnych warunkach reakcji, wykorzystują tanie kosubstraty (np. tlen) i wykazują wyjątkową selektywność oraz dobrą wydajność. Jednak pomimo tych zalet, pełne wykorzystanie biokatalizatorów na skalę przemysłową jest utrudnione za sprawą niestabilności wielu enzymów. W ramach wspieranego przez UE projektu ROBOX (Expanding the industrial use of Robust Oxidative Biocatalysts for the conversion and production of alcohols) stworzono zbiór stabilnych enzymów wraz z protokołami przemiany przemysłowej. Do osiągnięć projektu należą: opracowanie enzymu utleniającego glicerol, zastosowanie enzymów P450 do produkcji metabolitów leków na dużą skalę, zastosowanie enzymów ADH i BVMO do produkcji nowych cząsteczek zapachowych, a także prekursorów polimerów specjalnych i wysokowydajnych. Demonstracja docelowych reakcji skutecznych enzymów utleniających Zrównoważoność i ekonomikę procesów przemysłowych można znacznie poprawić dzięki biokatalitycznym szlakom utleniania z wykorzystaniem tlenu molekularnego (z powietrza) w niegroźnych i łagodnych warunkach (pH), takich jak temperatura i ciśnienie otoczenia. Jednak podejście to, z uwagi na wysokie koszty (ponad 1 000 EUR/kg) związane z etapem analizy enzymatycznej, zostało uznane za zbyt drogie. Aby temu zaradzić, w projekcie ROBOX zbadano wykonalność biotransformacji czterech typów skutecznych enzymów utleniających. „Biokatalizatory te przeprowadzają utlenianie z dużą selektywnością i swoistością, często przy dobrej wydajności. Wyniki te byłyby trudne do uzyskania przy użyciu standardowych metod utleniania chemicznego”, wyjaśnia koordynator projektu prof. Marco Fraaije. Glicerol jest głównym produktem ubocznym produkcji biodiesla i obiecującym chemicznym elementem budulcowym, ponieważ jego utlenianie powoduje powstawanie cennych związków, takich jak aldehydy glicerynowe, będących przedmiotem zainteresowania przy produkcji chemikaliów wysokowartościowych, produktów farmaceutycznych lub aminokwasów. Enzymy z grupy monooksygenaz (P450) w ludzkiej wątrobie są odpowiedzialne za detoksykację prawie wszystkich leków dostępnych na rynku, a zatem biokatalityczne wytwarzanie metabolitów leków na dużą skalę ma ogromne znaczenie dla walidacji wyników badań klinicznych i opracowywania leków. Zespół ROBOX opracował i zastosował również wytrzymałą dehydrogenazę alkoholową (ADH), oksydazę alkoholową (AOX) i monooksygenazę Baeyera-Villigera (BVMO) w biokatalitycznej produkcji nowych związków zapachowych i prekursorów polimerów, co dowodzi wyższości tej grupy enzymów utleniających nad tradycyjnymi środkami chemicznymi. Projekt ROBOX zwalidował i zoptymalizował docelowe reakcje dla tych enzymów w skali laboratoryjnej w zastosowaniach dotyczących sektora farmaceutycznego, spożywczego, chemicznego i materiałowego. Tam, gdzie było to konieczne, odpowiednie enzymy zostały ulepszone przy pomocy metod inżynierii białkowej lub zidentyfikowano nowe skuteczne enzymy metodą przeszukiwania genomu. „To zintegrowane podejście obejmowało cały łańcuch, od odkrywania enzymów po ich zastosowanie na dużą skalę”, mówi Fraaije. „W trakcie realizacji projektu odrzuciliśmy niektóre reakcje docelowe jako niewykonalne, co wynikało z rygorystycznej oceny techniczno-ekonomicznej. Ale ta strategia okazała się skuteczna w większości przypadków, umożliwiając dalsze badanie biokatalizy oksydacyjnej”. Rozszerzenie zestawu narzędzi z zakresu zrównoważonej chemii Projekt ROBOX wnosi wkład w produkcję zielonych chemikaliów, stosowanych w materiałach takich jak tworzywa sztuczne, farmaceutyki i tusze – niezbędnych do rozwoju gospodarki opartej na biologii. Aby rozpocząć obliczanie ekologicznych parametrów, zespół ROBOX przeprowadził analizę porównawczą cyklu życia jednej z docelowych reakcji BVMO. „Odpowiednie utlenianie enzymatyczne miało mniejszy wpływ na środowisko w porównaniu z odpowiednikiem chemicznym w przypadku uwzględnienia recyklingu rozpuszczalników i enzymów. Ponadto wpływ reakcji biokatalizy na zmiany klimatyczne można zmniejszyć o 71 %, gdy wykorzystywana jest energia elektryczna ze źródeł odnawialnych”, mówi Fraaije. Jak dotąd powstały patenty dla partnerów projektu, jak również dla firmy biotechnologicznego start-upu na uniwersytecie w Groningen.
Słowa kluczowe
ROBOX, biokatalizator, ekologiczne, chemia, utlenianie, enzymy, zanieczyszczenia, przetwarzanie przemysłowe, tworzywa sztuczne, farmaceutyki, gospodarka oparta na biologii
