Een onderzoeksteam uit Bochum heeft een nieuwe methode ontwikkeld om katalytisch actieve enzymen aan te drijven.

Vergeleken met traditionele chemische methoden, enzymkatalyse heeft tal van voordelen. Maar het heeft ook zwakke punten. Sommige enzymen zijn niet erg stabiel. Enzymen die waterstofperoxide omzetten, worden zelfs geïnactiveerd door hoge concentraties van het substraat. Een onderzoeksteam van de Ruhr-Universität Bochum (RUB), samen met internationale partners, heeft een proces ontwikkeld waarbij het uitgangsmateriaal, d.w.z. waterstofperoxide, wordt met behulp van plasma gecontroleerd aan de biokatalysatoren toegevoerd. De enzymen zelf worden door een bufferlaag beschermd tegen schadelijke componenten van het plasma. Met behulp van twee model-enzymen, het team liet zien dat het proces werkt, zoals gerapporteerd in het journaal ChemSusChem vanaf 5 februari 2020.

mildere omstandigheden, minder energieverbruik en afval

Bij biokatalyse, chemicaliën worden geproduceerd door cellen of hun componenten, in het bijzonder door enzymen. Biokatalyse heeft veel voordelen ten opzichte van traditionele chemische processen:de reactieomstandigheden zijn meestal veel milder, het energieverbruik is lager en er wordt minder giftig afval geproduceerd. De hoge specificiteit van enzymen betekent ook dat er minder nevenreacties optreden. Bovendien, sommige fijnchemicaliën kunnen alleen worden gesynthetiseerd door biokatalyse.

De zwakke plek van enzymbiokatalyse is de lage stabiliteit van sommige enzymen. "Omdat het enzym in dergelijke gevallen vaak moet worden vervangen - wat duur is - is het uiterst belangrijk om de stabiliteit onder productieomstandigheden te vergroten, " legt hoofdauteur Abdulkadir Yayci uit van de leerstoel Toegepaste Microbiologie onder leiding van professor Julia Bandow.

Waterstofperoxide:noodzakelijk, maar schadelijk

Het onderzoeksteam heeft twee vergelijkbare klassen enzymen bestudeerd:peroxidasen en peroxygenasen. Beide gebruiken waterstofperoxide als uitgangsmateriaal voor oxidaties. Het cruciale probleem is dat waterstofperoxide absoluut noodzakelijk is voor activiteit, maar in hogere concentraties leidt het tot een verlies van activiteit van de enzymen. Wat deze enzymklassen betreft, daarom is het essentieel om waterstofperoxide in nauwkeurige doses te leveren.

Hiertoe, de onderzoekers onderzochten plasma's als bron van waterstofperoxide. Plasma beschrijft de vierde toestand van materie die ontstaat wanneer energie aan een gas wordt toegevoegd. Als vloeistoffen worden behandeld met plasma's, een groot aantal reactieve zuurstof- en stikstofsoorten worden gevormd, waarvan sommige vervolgens reageren om langlevend waterstofperoxide te vormen, die kunnen worden gebruikt voor biokatalyse.

Biokatalytische reacties met door plasma gegenereerd waterstofperoxide zijn mogelijk

In een experiment waarin mierikswortelperoxidase diende als een van de modelenzymen, het team toonde aan dat dit systeem in principe werkt. Tegelijkertijd, de onderzoekers identificeerden de zwakke punten van plasmabehandeling:"Plasmabehandeling valt de enzymen ook direct aan en inactiveert ze, hoogstwaarschijnlijk door de zeer reactieve, kortlevende soorten in de met plasma behandelde vloeistof, " schetst Abdulkadir Yayci. De onderzoeksgroep verbeterde de reactieomstandigheden door het enzym te binden aan een inert dragermateriaal. Dit creëert een bufferzone boven het enzym waarin de zeer reactieve plasmasoorten kunnen reageren zonder het enzym te beschadigen.

De onderzoekers testten vervolgens hun aanpak met een tweede enzym, de aspecifieke peroxygenase van de schimmel Agrocybe aegerita. Deze peroxygenase heeft het vermogen om een ​​groot aantal substraten op een zeer selectieve manier te oxideren. "We hebben met succes aangetoond dat deze specificiteit zelfs onder plasmabehandeling behouden blijft en dat zeer selectieve biokatalytische reacties mogelijk zijn met plasma, " besluit Julia Bandow.