Experter från University of Nottingham har skapat en självuppehållande krets av reaktioner som är en grönare och effektivare metod för kemisk produktion.

I deras artikel Self-Sustaining closed-loop multienzyme-medierad omvandling av aminer till alkoholer i kontinuerliga reaktioner, publiceras i Naturkatalys , Drs Francesca Paradisi och Martina Contente från University of Nottingham producerar kemikalier mer effektivt genom en slingad uppsättning reaktioner med hjälp av enzymer i flödet.

Reaktionerna minskar miljöavfallet, är självförsörjande och producerar högre kvaliteter av slutprodukten.

Enzymer i flöde, som används som en serie "kolonner" packade med immobiliserade enzymer och en bärarlösning, flödar reagenserna in och produkterna ut med mycket snabbare reaktionshastigheter än i normala batchreaktioner.

Dr. Paradisi, Docent i biokatalys och enzymteknik vid kemiskolan, förklarade att vatten ofta används som det medium i vilket enzymmedierade kemiska reaktioner kan äga rum, men det finns ett problem med att kassera avfallet i slutet av processen.

Hon sa:"Ditt vatten är nu något förorenat med kemiska molekyler som härrör från den komplexa omvandlingen som har ägt rum, så att hälla det i avloppet är inte miljövänligt. Att hantera förorenat vatten kan vara mycket dyrt.

"Med slingan vi har skapat återvinns vattnet, de genererade biprodukterna avlägsnas kontinuerligt och återvinns genom processen, och det rena vattnet används återigen som en bärare för reagensen i reaktionen."

Reaktionskedjan har skapats i en slinga som är självförevigande och innebär att produkter skapas, renat, och isolerad utan behov av manuellt ingripande vid varje steg i processen.

"Föreställ dig att du har en kran som i sin vattenström, producerar värdefull produkt bland de mindre värdefulla. Föreställ dig att du har en sil som filtrerar bort produkten du vill ha", sa doktor Paradisi.

"Föreställ dig då om den här kranen kunde monteras på en vattenåtervinningsfontän, nu vet du att vattnet och de mindre värdefulla produkterna (som fortfarande är värdefulla) aldrig går förlorade, de fungerar bara som bärare av de värdefulla molekylerna.

"Det här ökar inte bara effektiviteten och sparar tid, det skapar ett noll-avfallssystem. Vi upptäckte också att att arbeta på det här sättet innebar att utbytet av vissa "svåra att göra" högvärdiga produkter också var mycket högre än för traditionella kemiska reaktioner - med över 20 gånger."

I forskningen, som finansierades genom ett anslag från Biotechnology and Biological Sciences Research Council, paret använde aminer som produceras naturligt i kroppen som dopamin, tryptamin och histaminer. De använde sedan slingan av reaktioner för att omvandla dessa till alkoholer som 4-hydroxityrosol som är en antioxidant och vanligtvis svårare att producera.

Dr. Paradisi sa:"Dessa alkoholer är mycket eftertraktade i skapandet av läkemedel, livsmedelstillsatser, att skapa parfymer och aromer och de är svåra och mycket dyra att producera. Traditionella kemiska strategier kan ta upp till två veckor för att ge en avkastning på 5-13 procent för den mest utmanande molekylen. Vi har funnit att vi kan producera cirka 70 procent på 45 minuter."

Och forskningen är inte begränsad till alkoholer eftersom processen kan överföras till att skapa andra produkter.

"Möjligheterna för detta är enorma, det handlar bara om rätt applikation", tillade Dr Paradisi. "Vi kan ta vilken molekyl som helst av intresse och se om vi kan dissekera den steg för steg, tänker på vilket enzym som kan katalysera reaktionen i omvänd tills vi kommer till ett enkelt utgångsmaterial. Vi kan sedan sätta ihop enzymerna i sekvens, ungefär som att skapa ett artificiellt biosystem där den första produkten är substratet för nästa enzymatiska steg, tills den slutliga molekylen uppnås. Till skillnad från ett biologiskt system, denna ex-vivo enzymfabrik är mycket mer robust, vi kan dramatiskt öka mängden enzym som är ansvarigt för varje steg (eftersom det aldrig går förlorat, den finns i reaktorn), finjustera den relativa hastigheten för varje reaktion, för mycket snabba omvandlingar.

"Vi behöver inte oroa oss för cellens integritet, eller molekylens/molekylernas potentiella toxicitet för det biologiska systemet. Flödet innebär effektivt att om varje steg är optimerat, vi kan behandla varje del av kaskaden som en separat enhet. Till sist, återföra avloppsvattnet till början, bär några av de hjälpkomponenter som enzymerna behöver för att fungera, vi ökar exponentiellt systemets produktivitet. Det här är ett nytt sätt att arbeta med enzymer som aldrig har gjorts tidigare."