Professor Arne Skerra van de Technische Universiteit van München (TUM) is er voor het eerst in geslaagd om gasvormig CO2 te gebruiken als basismateriaal voor de productie van een chemisch massaproduct in een biotechnische reactie. Het product is methionine, dat wordt gebruikt als een essentieel aminozuur, vooral in diervoeding, op grote schaal. Dit nieuw ontwikkelde enzymatische proces zou de huidige petrochemische productie kunnen vervangen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Katalyse .

De industriële productie van methionine uit petrochemische grondstoffen vindt momenteel plaats via een chemisch proces in zes stappen waarvoor zeer giftige waterstofcyanide nodig is, onder andere ondergronden. In 2013, Evonik Industries, een van 's werelds grootste producenten van methionine, nodigde universitaire onderzoekers uit om nieuwe processen voor te stellen om de stof veiliger te produceren. methional, dat in de natuur voorkomt als afbraakproduct van methionine, wordt gevormd als een gemakkelijk tussenproduct tijdens het conventionele proces.

"Gebaseerd op het idee dat methionine in micro-organismen door enzymen wordt afgebroken tot methional met het vrijkomen van CO2, we hebben geprobeerd dit proces om te keren, " legt professor Arne Skerra van de afdeling Biologische Chemie van de TUM uit, "omdat elke chemische reactie in principe omkeerbaar is, terwijl vaak alleen met het uitgebreide gebruik van energie en druk." Skerra deed met dit idee mee aan de call for proposals, en Evonik gunden het concept en steunden het project.

Ondersteund door postdoctoraal onderzoeker Lukas Eisoldt, Skerra begon met het bepalen van de parameters voor het productieproces en voor het produceren van de benodigde biokatalysatoren (enzymen). De wetenschappers voerden eerste experimenten uit en bepaalden de CO2-druk die nodig zou zijn om methionine uit methional te produceren in een biokatalytisch proces. Verrassend genoeg, een onverwacht hoge opbrengst resulteerde zelfs bij een relatief lage druk - ongeveer overeenkomend met die in een autoband van ongeveer twee bar. Op basis van de resultaten na slechts een jaar, Evonik verlengde de financiering, en nu het team versterkt door de Ph.D. student Julia Martin, onderzocht de biochemische achtergrond van de reactie en optimaliseerde de betrokken enzymen met behulp van eiwittechnologie.

Efficiënter dan fotosynthese

Na een aantal jaren werk, niet alleen was het mogelijk om de reactie op laboratoriumschaal te verbeteren tot een opbrengst van 40 procent, maar ook om de theoretische achtergrond van de biochemische processen te verhelderen. "Vergeleken met de complexe fotosynthese, waarin de natuur als bouwsteen ook biokatalytisch CO2 in biomoleculen inbouwt, ons proces is zeer elegant en eenvoudig, " meldt Arne Skerra. "Fotosynthese gebruikt 14 enzymen en heeft een opbrengst van slechts 20 procent, terwijl onze methode slechts twee enzymen vereist."

In de toekomst, het basisprincipe van deze nieuwe biokatalytische reactie kan als model dienen voor de industriële productie van andere waardevolle aminozuren of voorlopers voor geneesmiddelen. In de tussentijd, Professor Skerra's team zal het proces verfijnen, die is gepatenteerd, met behulp van eiwittechnologie, zodat het geschikt wordt voor grootschalige toepassing.

Dit zou de eerste keer kunnen zijn dat er een biotechnologisch productieproces is waarbij gasvormig CO2 als directe chemische voorloper wordt gebruikt. Tot nu toe, pogingen om het broeikasgas te recyclen, die een grote bijdrage levert aan de klimaatverandering, zijn mislukt vanwege de extreem hoge energie die daarvoor nodig is.