Enzymy z grzybów katalizują rewolucję w europejskim sektorze biotechnologicznym
Biomasa roślinna jest bogata w cząsteczki, które można przekształcić w produkty o wartości dodanej. Jako materiał do produkcji ważnych w przemyśle związków można wykorzystać zarówno biomasę, jak i paliwa kopalne – oba te surowce pochodzą z niegdyś żyjących organizmów. W finansowanym ze środków unijnych projekcie EnzOx2 do zrównoważonego wytwarzania związków o wartości dodanej z biomasy wykorzystano grzyby i ich enzymy utleniające (oksydazy i peroksygenazy), dotychczas niepopularne w zastosowaniach komercyjnych. Dzięki badaniom uczestnicy projektu EnzOx2 wzmocnili europejską współpracę między podmiotami z sektora badań i przemysłu.
Zestaw enzymów z grzybów
Zespół projektu EnzOx2 badał reakcje prowadzące do powstania związków dla ważnych z przemysłowego punktu widzenia sektorów tworzyw sztucznych, farmaceutyków oraz dodatków smakowych i zapachowych. Angel T. Martinez, koordynator projektu z Centrum Badań Biologicznych Margarita Salas, jednego z największych i najbardziej prestiżowych ośrodków badawczych Hiszpańskiej Krajowej Rady ds. Badań Naukowych, wyjaśnia: „Partnerzy projektu EnzOx2 najpierw przyjrzeli się różnym i w dużej mierze słabo zbadanym oksydoreduktazom z grzybów pochodzących ze specjalnych siedlisk oraz genom oksydoreduktazy w zsekwencjonowanych genomach grzybów, chcąc wyizolować nowe, interesujące enzymy. Następnie dostosowano wydajność katalityczną, selektywność i/lub stabilność wyselekcjonowanych enzymów do wymaganych warunków reakcji za pomocą narzędzi inżynierii białkowej”.
Droga do zrównoważonej produkcji tworzyw sztucznych
Kwas 2,5-furanodikarboksylowy (FDCA) jest jednym z 12 najważniejszych związków chemicznych o wartości dodanej pochodzących z biomasy, ponieważ jest odnawialnym prekursorem do produkcji poli(2,5-furanodikarboksylanu etylenu) (PEF). PEF to polimer, który ma zastąpić ropopochodny poli(tereftalan etylenu) w produkcji zrównoważonych tworzyw sztucznych. W ramach projektu EnzOx2 opracowano trzy sposoby produkcji FDCA z 5-hydroksymetylofurfuralu (HMF) oraz 5-metoksymetylofurfuralu (MMF). Zespół zoptymalizował wcześniej opracowaną kaskadę dwuenzymową do konwersji HMF do FDCA i zaproponował nową kaskadę z użyciem dwóch oksydaz i jednej peroksygenazy. Naukowcy osiągnęli również 99 % konwersji poprzez zastosowanie jednej oksydazy w obecności katalazy w celu usunięcia wytworzonego nadtlenku wodoru, który – jak wykazano – hamuje ostatni etap utleniania. Produkcja biopolimerów na bazie FDCA na dużą skalę będzie opierać się na MMF, dlatego następnie opracowano samowystarczalną kaskadę trójenzymową dla tego szlaku i opatentowano ją.
Pochodne lipidów w produkcji wyrobów farmaceutycznych, żywności i substancji zapachowych
Niespecyficzne peroksygenazy umożliwiły zbadanie wielu związków pochodzących z lipidów z biomasy. Jednym z wielu rezultatów projektu jest patent dotyczący kontrolowanego, stopniowego skracania łańcuchów kwasów tłuszczowych będącego nowatorską reakcją chemiczną, która umożliwia wytworzenie rzadko spotykanych w naturze kwasów dostosowanych do potrzeb. W odniesieniu do przekształceń steroidów naukowcy znaleźli peroksygenazę, która katalizuje selektywne utlenianie testosteronu w celu uzyskania 4-hydroksytestosteronu, aktywnego substratu farmaceutycznego stosowanego do syntezy leków stosowanych w leczeniu nowotworów piersi. Ta reakcja została niedawno przeprowadzona w większej skali i pozytywnie oceniona pod kątem wdrożenia przemysłowego. Badania nad peroksygenazami doprowadziły również do opatentowania selektywnej syntezy 3,5,5-trimetylo-4-hydroksycykloheks-2-en-1-onu i 2,6,6-trimetylo-2-cyklohekseno-1,4-dionu, będącej przedmiotem zainteresowania zarówno sektora farmaceutycznego, jak i sektora dodatków smakowo-zapachowych. Martinez podsumowuje: „W ciągu ostatnich 30 lat miejsca pracy i dochody z produktów w przemyśle biochemicznym w coraz większym stopniu przenosiły się z Europy do Azji. EnzOx2 zmienia warunki na rynku. Zidentyfikowaliśmy i/lub zaprojektowaliśmy enzymy z grzybów w celu uzyskania złożonych cząsteczek do wytwarzania specjalistycznych substancji chemicznych, których produkcja w drodze syntezy chemicznej jest niemal niemożliwa. Jednocześnie udało nam się zmodyfikować tanie surowce w efektywnych energetycznie procesach enzymatycznych”. Pozycja Europy w rozwijającej się dziedzinie białej biotechnologii właśnie się umocniła, dzięki wynikom projektu.
Słowa kluczowe
EnzOx2, biomasa, enzymy, FDCA, HMF, oksydaza, peroksygenaza, grzyby, tworzywa sztuczne, przemysł farmaceutyczny, PEF, dodatki smakowe i zapachowe, biotechnologia
