Op enzymen gebaseerde reactiesystemen zonder micro-organismen worden nu gebruikt voor de productie van waterstof, bio-elektriciteit en nuttige biochemicaliën. In deze biosystemen worden grondstoffen, substraten genaamd, afgebroken door een reeks enzymen (d.w.z. biologische katalysatoren) om het gewenste eindproduct te verkrijgen. In verschillende gevallen zijn de substraten koolhydraten zoals sucrose, cellulose of zetmeel. In de eerste stap van deze reacties wordt sucrose omgezet in glucosederivaten zoals ɑ-glucose 1-fosfaat (ɑ-G1P) of glucose 6-fosfaat (G6P), die dienen als belangrijke tussenproducten voor verdere reacties.

Ondanks de praktische bruikbaarheid en lage kosten, wordt maltose zelden gebruikt als substraat voor enzymatische biosystemen. Dit komt omdat traditionele enzymen maltose omzetten in β-G1P in plaats van ɑ-G1P (het spiegelbeeld) of G6P. In tegenstelling tot ɑ-G1P en G6P kan β-G1P niet verder worden verwerkt om het gewenste eindproduct te verkrijgen.

Een nieuwe studie, gepubliceerd op 01 juli 2022 in BioDesign Research , heeft dit probleem op een zeer innovatieve manier opgelost. In deze studie ontwikkelden onderzoekers uit China een nieuw synthetisch enzymatisch biosysteem dat de bioproductie van waardevolle producten met maltose als substraat mogelijk maakt. Prof. Chun You, de hoofdonderzoeker van de studie, merkt op dat "maltose zo kosteneffectief is dat het de favoriete suiker is in de voedingsindustrie. Maar de toepassingen ervan als grondstof voor biosynthese zijn al lang beperkt. Onze nieuwe biosysteem voor synthetische reacties lost dit probleem op en zorgt voor een verhoogd gebruik van maltose in de bioproductiesector."

Elk molecuul maltose bestaat uit twee glucosemoleculen, verbonden via de eerste en vierde koolstofatomen. Ter vergelijking:sucrose bestaat uit één glucose- en één fructosemolecuul, verbonden door de eerste en tweede koolstofatomen. Door een rigoureuze stapsgewijze benadering ontwierpen Prof. You en zijn team eerst enzymatische processen die theoretisch beide glucosemoleculen in maltose in G6P zouden kunnen omzetten. Vervolgens zuiverden ze deze enzymen afzonderlijk, optimaliseerden het "recept" en construeerden het in vitro enzymatische reactiebiosysteem, dat uit drie enzymen bestond:maltosefosforylase (MP), β-fosfoglucomutase (β-PGM) en polyfosfaatglucokinase (PPGK). Hun voorlopige resultaten bewezen dat hun strategie succesvol was:het driedelige enzymatische systeem kon elk molecuul maltose omzetten in twee moleculen G6P.

Gesterkt door deze bevindingen ging de groep op zoek naar een nieuwe piek. G6P was slechts een tussenproduct. Hun echte doel was om uit maltose waardevolle eindproducten te maken. Hiervoor richtten ze zich op twee belangrijke producten, waarvan de eerste fructose 1,6-difosfaat (FDP) was. FDP werd gekozen vanwege de klinische waarde ervan bij de behandeling van ischemisch letsel, toevallen en diabetescomplicaties. Het tweede product was bio-elektriciteit, een vorm van milieuvriendelijke energie.

Voor deze eindproducten zijn twee aparte reactiesystemen ontworpen. De driedelige enzymatische module was de primaire component van beide reactiesystemen. Vervolgens werd het eerste reactiesysteem voorzien van stroomafwaartse enzymen voor de synthese van FDP uit G6P, terwijl enzymen die bio-elektriciteitsopwekking uit G6P mogelijk maakten aan het tweede systeem werden toegevoegd.

Door hun intelligente ontwerpen bereikten het 5-enzym in vitro FDP-producerende biosysteem en het 14-enzym batterijsysteem de efficiënte productie van respectievelijk FDP en bio-elektriciteit. De opbrengst van FDP kon worden verhoogd tot meer dan 88% van de theoretische opbrengst, terwijl de geproduceerde bio-elektriciteit een energie-efficiëntie had van meer dan 96% en een maximale vermogensdichtheid van 0,6 milliwatt per vierkante centimeter.

Samen verhogen deze bevindingen de use-cases voor maltose als biosynthesesubstraat. Prof. You legt uit dat "het potentieel van maltose als grondstof voor bioproductie grotendeels onbenut is. Onze studie stelt nieuwe toepassingsscenario's voor deze suiker voor. Hoewel we ons in deze studie hebben gericht op FDP en bio-elektriciteit, zijn er tal van andere toepassingen, die onderzocht in toekomstige studies." Hij voegt eraan toe dat hun "strategie ook een nieuwe benadering vertegenwoordigt voor de zeer efficiënte opwekking van bio-elektriciteit en bruikbare biochemicaliën." + Verder verkennen

De zoete smaak van succes voor een ondersteunde nikkelfosfide-nanolegeringskatalysator