Wetenschap
Bio-engineered enzym creëert in één stap natuurlijke vanilline uit planten
Bovendien, hoewel chemisch verkregen vanille-extracten goedkoop verkrijgbaar zijn, komen ze niet overeen met de smaak van natuurlijk vanille-extract, en de vraag naar dit laatste blijft hoog. Bovendien hebben klimatologische beperkingen voor de teelt van vanilleplanten en de relatief kleine opbrengst per plant geleid tot een afnemend aanbod en een sterke stijging van de prijs van natuurlijk vanille-extract.
Om deze uitdagingen aan te pakken, hebben professor Toshiki Furuya van de afdeling Toegepaste Biologische Wetenschappen, Faculteit Wetenschap en Technologie van de Tokyo University of Science, en zijn studenten Shizuka Fujimaki en Satsuki Sakamoto, met succes een enzym ontwikkeld dat vanilline genereert uit plantaardig ferulazuur.
“Ferrulazuur, de grondstof, is een verbinding die in overvloed kan worden verkregen uit landbouwafval zoals rijstzemelen en tarwezemelen. Vanilline wordt eenvoudigweg gegenereerd door ferulazuur bij kamertemperatuur te mengen met het ontwikkelde enzym. De gevestigde technologie kan dus bieden een eenvoudige en milieuvriendelijke methode voor het produceren van smaakstoffen", legt prof. Furuya uit. Hun onderzoek werd op 10 mei 2024 gepubliceerd in Applied and Environmental Microbiology .
De onderzoekers gebruikten genetische manipulatiebenaderingen om de moleculaire structuur van een enzym, 'Ado', te wijzigen. Ado is oorspronkelijk een oxidase-enzym dat een zuurstofatoom aan het substraat toevoegt:isoeugenol.
In zijn oorspronkelijke staat heeft het niet het vermogen om ferulazuur om te zetten in vanilline. Met behulp van structurele modelanalyse konden de onderzoekers aminozuurveranderingen in Ado voorspellen, waardoor de interactie met ferulazuur mogelijk zou worden.
Op deze manier voerden ze een reeks experimenten uit door aminozuurresiduen van fenylalanine en valine op specifieke posities in de structuur van Ado te vervangen door verschillende andere aminozuren. Vervolgens onderzochten ze het vermogen om ferulazuur om te zetten van de verschillende gemanipuleerde mutante eiwitten.
Na verschillende pogingen en fouten ontdekten ze dat een mutant eiwit waarin slechts drie specifieke fenylalanine- en valineresiduen waren vervangen door tyrosine en arginine, stabiel reageerde met ferulinezuur en een hoge conversieactiviteit vertoonde. Met name had het gemanipuleerde enzym geen cofactoren nodig voor de omzetting, in tegenstelling tot andere oxidasen, en produceerde het vanilline op gramschaal per liter reactieoplossing, met een hogere katalytische efficiëntie en affiniteit dan die van het wildtype enzym.
De reactie vereiste alleen het mengen van het enzym, ferulazuur en lucht (moleculaire zuurstof) bij kamertemperatuur, waardoor het een eenvoudig, duurzaam en economisch schaalbaar proces werd. Bovendien vertoonde het moleculair ontwikkelde enzym ook conversie-activiteit in de richting van p-coumarinezuur en sinapinezuur, dit zijn verbindingen die worden verkregen door de afbraak van lignine, een veel voorkomend landbouwafvalproduct.
Tot nu toe hebben geen microbiële of plantaardige enzymen het vermogen getoond om ferulinezuur op industriële schaal om te zetten in vanilline. Daarom vertoont het in de huidige studie ontwikkelde enzym een aanzienlijk potentieel voor het mogelijk maken van de commerciële en economisch levensvatbare productie van natuurlijke vanilline.
Prof. Furuya legt de langetermijnimplicaties van hun onderzoek uit en stelt:"Het benutten van het potentieel van micro-organismen en enzymen om onder milde omstandigheden waardevolle verbindingen af te leiden uit hernieuwbare plantaardige bronnen, biedt een duurzame aanpak om de ecologische voetafdruk te minimaliseren.
"Momenteel richten onze onderzoeksinspanningen, in samenwerking met een bedrijf, zich op het bereiken van de real-world implementatie van vanillineproductie door het gebruik van het nieuw ontwikkelde enzym."