En bakterie uppfyller en länge omhuldad önskan från många kemister. E. coli-bakterien, som har modifierats för att förse den med speciella enzymer, har visat sig göra byggstenar för plast, såsom polyester, direkt från petroleumkomponenter som kallas alkaner, använder väldigt lite energi. Denna studie utfördes av Youri van Nuland och han doktorerade för denna forskning vid Wageningen University &Research den 20 oktober.

För att tillverka plast, byggstenarna i fråga måste kopplas till varandra, varje byggsten behöver två speciella kemiska grupper, som kan jämföras med "krokar" eller "ögon", vid dess ändar. Alkandiolerna är särskilt viktiga byggstenar. De är alkaner, som propan och butan, med två alkoholgrupper i ändarna och de kan användas för framställning av polyestrar, polyuretaner, polyamider och andra plaster.

De alkandiolbyggstenar som för närvarande finns på marknaden tillverkas ofta av de mer komplexa råvarorna acetylen eller bensen, via ett antal energikrävande steg som frigör stora mängder av växthusgaserna koldioxid och lustgas (dikväveoxid). Sex kilogram CO2 släpps ut per kilo produkt. Omkring 1,8 miljoner ton butandiol produceras årligen.

Kemisk önskelista

En uppenbar lösning vore därför att göra dessa alkandiolbyggstenar direkt från enkla, lättillgängliga alkaner, genom att utrusta båda ändarna av dessa molekyler med en alkoholgrupp eller "krok". Denna omvandling förbrukar lite energi och frigör endast begränsade mängder växthusgaser. En omställningsmetod av detta slag har därför legat högt på önskelistan sedan den petrokemiska industrins födelse.

Än så länge, dock, de många industri- och universitetslaboratorierna har inte kunnat realisera en direkt väg för att syntetisera dessa byggstenar för tillverkning av plast. Problemet var att under processen, de inre kolatomerna i alkanerna var utrustade med en alkoholgrupp såväl som de yttre kolatomerna. Detta gjorde att den kemiska reaktionen inte var tillräckligt specifik och gav oönskade biprodukter. Alkoholgrupperna var, dessutom, omvandlas till syragrupper eller så brändes hela molekylen till koldioxid och vatten.

Enzymet alkanhydroxylas (AlkB) kan specifikt utrusta endast de yttre kolatomerna av alkaner med alkoholgrupper även om det också ändrar alkoholgrupperna till syragrupper. Vidare, den kan bara göra det på ena sidan av alkanmolekylen. Det såg ut som om kemistens önskemål inte skulle uppfyllas; det blev ett dödläge.

Dock, Youri van Nuland, en doktorand i forskningsgruppen Bioprocess Engineering vid Wageningen University &Research, har nu lyckats realisera den önskade omvandlingen från alkaner till alkandioler med hjälp av AlkB-enzymet. Han genetiskt modifierade en stam av E. coli-bakterien och utrustade den med AlkB och ett annat enzym, alkohol acetyltransferas. Atf1-enzymet skyddar snabbt alkoholgruppen som bildas av AlkB, genom att låta den reagera med ättiksyra för att bilda en stabil ester innan den kan omvandlas ytterligare till en syragrupp. En överraskande poäng här är att AlkB nu kan utrusta den andra änden av alkanen med en alkoholgrupp också och att Atf1 även gör det möjligt för denna att reagera för att bilda en ester. Estrarna som bildas av en alkandiol är lätta att omvandla till den erforderliga alkandiolen och denna omvandling kräver lite energi.

Youri van Nuland har visat denna omvandling i laboratorieskala med alkaner som varierar från butan till dekan. Ytterligare optimering och uppskalning kommer att krävas för att göra metoden till en industriell process. Ett patent väntas på hans upptäckt.