Ett forskarlag från Bochum har utvecklat en ny metod för att driva katalytiskt aktiva enzymer.

Jämfört med traditionella kemiska metoder, enzymkatalys har många fördelar. Men det har också svagheter. Vissa enzymer är inte särskilt stabila. Enzymer som omvandlar väteperoxid inaktiveras till och med av höga koncentrationer av substratet. En forskargrupp vid Ruhr-Universität Bochum (RUB), tillsammans med internationella partners, har utvecklat en process där utgångsmaterialet, dvs väteperoxid, tillförs biokatalysatorerna på ett kontrollerat sätt med hjälp av plasma. Enzymerna i sig skyddas från skadliga komponenter i plasman av ett buffertskikt. Genom att använda två modellenzymer, teamet visade att processen fungerar, enligt tidningen ChemSusChem från 5 februari 2020.

Mildare förhållanden, mindre energiförbrukning och avfall

Vid biokatalys, kemikalier produceras av celler eller deras komponenter, särskilt av enzymer. Biokatalys har många fördelar jämfört med traditionella kemiska processer:reaktionsförhållandena är vanligtvis mycket mildare, energiförbrukningen är lägre och mindre giftigt avfall produceras. Enzymernas höga specificitet gör också att färre sidoreaktioner inträffar. Dessutom, vissa finkemikalier kan endast syntetiseras genom biokatalys.

Den svaga punkten för enzymbiokatalys är den låga stabiliteten hos vissa enzymer. "Eftersom enzymet ofta måste bytas ut i sådana fall - vilket är dyrt - är det extremt viktigt att öka stabiliteten under produktionsförhållanden, " förklarar huvudförfattaren Abdulkadir Yayci från ordföranden för tillämpad mikrobiologi under ledning av professor Julia Bandow.

Väteperoxid:nödvändigt, men skadligt

Forskargruppen har studerat två liknande klasser av enzymer:peroxidaser och peroxygenaser. Båda använder väteperoxid som utgångsmaterial för oxidationer. Det avgörande problemet är att väteperoxid är absolut nödvändigt för aktivitet, men i högre koncentrationer leder det till en förlust av aktiviteten hos enzymerna. När det gäller dessa enzymklasser, det är därför viktigt att tillföra väteperoxid i exakta doser.

För detta ändamål, forskarna undersökte plasma som en källa till väteperoxid. Plasma beskriver det fjärde tillståndet av materia som skapas när energi tillförs en gas. Om vätskor behandlas med plasma, ett stort antal reaktiva syre- och kvävearter bildas, av vilka några sedan reagerar och bildar långlivad väteperoxid, som kan användas för biokatalys.

Biokatalytiska reaktioner med plasmagenererad väteperoxid är möjliga

I ett experiment där pepparrotsperoxidas fungerade som ett av modellenzymerna, teamet visade att detta system fungerar i princip. På samma gång, forskarna identifierade de svaga punkterna med plasmabehandling:"Plasmabehandling angriper och inaktiverar också enzymerna direkt, troligen genom det mycket reaktiva, kortlivade arter i den plasmabehandlade vätskan, " skisserar Abdulkadir Yayci. Forskargruppen förbättrade reaktionsförhållandena genom att binda enzymet till ett inert bärarmaterial. Detta skapar en buffertzon ovanför enzymet där de mycket reaktiva plasmaarterna kan reagera utan att skada enzymet.

Forskarna testade sedan sin metod med ett andra enzym, det ospecifika peroxygenaset från svampen Agrocybe aegerita. Detta peroxygenas har förmågan att oxidera ett stort antal substrat på ett mycket selektivt sätt. "Vi har framgångsrikt visat att denna specificitet bibehålls även under plasmabehandling och att mycket selektiva biokatalytiska reaktioner är möjliga med plasma, avslutar Julia Bandow.