Als biokatalysatoren kunnen enzymen veel chemische processen "groener" maken en veelbelovende kansen bieden voor verschillende industrieën, van de farmaceutische industrie tot de milieutechnologie. Nieuwe analytische methoden, de enorme toename van datavolumes en machinaal leren hebben de ontwikkeling van biokatalyse een impuls gegeven.

Een publicatie in het tijdschrift Science , gecoördineerd door Prof. Dr. Uwe Bornscheuer van de Universiteit van Greifswald (DE) en Prof. Dr. Rebecca Buller van de ZHAW (CH), vat de ontwikkelingen op het gebied van biokatalyse samen.

Enzymen worden al tientallen jaren gebruikt in de biokatalyse om semi-synthetische antibiotica, verschillende bouwstenen voor actieve farmaceutische ingrediënten en basischemicaliën zoals acrylamide voor polymeren te produceren.

Biokatalyse kan chemische processen efficiënter, specifieker en energiebesparender maken en is, tegen de achtergrond van energietekorten en klimaatverandering, een baken van hoop voor de ontwikkeling van groenere chemie en een alomvattende circulaire economie.

In de afgelopen vijf jaar is er op dit gebied innovatieve en baanbrekende vooruitgang geboekt:belangrijke doorbraken zijn bijvoorbeeld de ontwikkeling van nieuwe bio-informatica-instrumenten geweest, zoals machine learning, die het op maat gemaakte ontwerp van biokatalysatoren vergemakkelijken, of de mogelijkheid om enzymen uit te rusten met het vermogen om nieuwe chemische reacties uit te voeren die niet uit de natuur bekend zijn. Ook is het mogelijk om complexe moleculen zoals zetmeel te synthetiseren uit het broeikasgas kooldioxide, door enzymen slim te combineren.

Natuurlijke enzymen zijn door evolutie aangepast aan hun metabolische functie en moeten daarom worden geoptimaliseerd voor industriële toepassingen met behulp van eiwitmanipulatiemethoden. Hoewel dit al bijna dertig jaar wordt gedaan, zijn er de afgelopen vijf jaar belangrijke nieuwe methoden ontwikkeld.

Niet alleen is het aantal eiwitsequenties opgeslagen in openbare databases vertwintigvoudigd, maar betrouwbare eiwitstructuren kunnen nu ook automatisch worden gegenereerd en samen met machine learning-methoden worden gebruikt om biokatalysatoren snel aan te passen aan de vereisten van een industrieel proces.

Als gevolg hiervan is het nu mogelijk om biokatalyse te gebruiken om zeer complexe medicijnmoleculen te produceren, zoals islatravir voor de behandeling van AIDS of therapeutische oligonucleotiden. De eerste auteur van de Wetenschap artikel prof. dr. Rebecca Buller merkt op dat het gebruik van enzymen op steeds meer gebieden werkelijkheid wordt. "De snelle ontwikkeling van bio-informatica en moleculair-biologische methoden maakt de biokatalytische synthese van steeds complexere producten mogelijk, ook door enzymen compleet nieuwe trucjes te leren."

Enzym om plastic af te breken dankzij eiwittechnologie

De verwijdering van plastic afval is een ander mondiaal probleem dat kan worden aangepakt met behulp van biokatalyse. In 2020 beschreven eiwitmanipulatiemethoden bijvoorbeeld een zeer efficiënte esterase die nu kan worden gebruikt om PET-plastic op industriële schaal te recyclen.

"De state-of-the-art enzymengineeringmethoden die in ons overzicht zijn samengevat, zouden het daarom mogelijk moeten maken om in de nabije toekomst efficiënte recyclingprocessen voor andere kunststoffen op te zetten", zegt prof. dr. Uwe Bornscheuer.

Het overzichtsartikel, geschreven in samenwerking met een internationaal team van auteurs, vat de belangrijkste ontwikkelingen op het gebied van biokatalyse van het afgelopen decennium samen en illustreert dit met indrukwekkende toepassingsvoorbeelden. Ook wordt er een blik geworpen op de toekomst van dit innovatieve onderzoeksgebied.

Naast de combinatie van chemische en enzymatische katalyseprocessen zien de auteurs ook geheel nieuwe toepassingsgebieden voor enzymen, bijvoorbeeld bij de productie van RNA-therapieën, bij gentherapie en andere innovatieve bijdragen aan het behoud van hulpbronnen en klimaatbescherming.

Meer informatie: R. Buller et al, Van natuur tot industrie:enzymen benutten voor biokatalyse, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.adh8615

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Universität Greifswald