Professor Arne Skerra vid Münchens tekniska universitet (TUM) har för första gången lyckats använda gasformig CO2 som grundmaterial för framställning av en kemisk massprodukt i en bioteknisk reaktion. Produkten är metionin, som används som en essentiell aminosyra, särskilt i djurfoder, på en stor skala. Denna nyutvecklade enzymatiska process skulle kunna ersätta dess nuvarande petrokemiska produktion. Resultaten har nu publicerats i tidskriften Naturkatalys .

Den industriella produktionen av metionin från petrokemiska källmaterial sker för närvarande via en kemisk process i sex steg som kräver mycket giftig vätecyanid, bland andra substrat. Under 2013, Evonik Industries, en av världens största tillverkare av metionin, bjöd in universitetsforskare att föreslå nya processer för att göra ämnet säkrare att tillverka. Metional, som förekommer i naturen som en nedbrytningsprodukt av metionin, bildas som en enkel mellanprodukt under den konventionella processen.

"Baserat på tanken att metionin i mikroorganismer bryts ned av enzymer till metionin vid frisättning av CO2, vi försökte vända denna process, " förklarar professor Arne Skerra från institutionen för biologisk kemi vid TUM, "eftersom varje kemisk reaktion i princip är reversibel, medan ofta endast med omfattande användning av energi och tryck." Skerra deltog i utlysningen med denna idé, och Evonik belönade konceptet och stöttade projektet.

Med stöd av postdoktorn Lukas Eisoldt, Skerra började bestämma parametrarna för tillverkningsprocessen och för att producera de nödvändiga biokatalysatorerna (enzymer). Forskarna genomförde inledande experiment och bestämde det CO2-tryck som skulle behövas för att producera metionin från metion i en biokatalytisk process. Förvånande, ett oväntat högt utbyte resulterade även vid ett relativt lågt tryck – ungefär motsvarande det i ett bildäck på cirka två bar. Baserat på prestationerna efter bara ett år, Evonik utökade finansieringen, och nu laget, förstärkt av Ph.D. student Julia Martin, undersökte den biokemiska bakgrunden till reaktionen och optimerade de involverade enzymerna med hjälp av proteinteknik.

Effektivare än fotosyntes

Efter flera års arbete, inte bara var det möjligt att förbättra reaktionen i laboratorieskala till ett utbyte av 40 procent, men också för att belysa den teoretiska bakgrunden till de biokemiska processerna. "Jämfört med den komplexa fotosyntesen, där naturen också biokatalytiskt införlivar CO2 i biomolekyler som en byggsten, vår process är mycket elegant och enkel, " rapporterar Arne Skerra. "Fotosyntes använder 14 enzymer och har en avkastning på endast 20 procent, medan vår metod bara kräver två enzymer."

I framtiden, grundprincipen för denna nya biokatalytiska reaktion kan tjäna som modell för industriell produktion av andra värdefulla aminosyror eller prekursorer för läkemedel. Under tiden, Professor Skerras team kommer att förfina processen, som har patenterats, använda proteinteknik så att det blir lämpligt för storskalig tillämpning.

Detta kan vara första gången som det finns en bioteknisk tillverkningsprocess som använder gasformig CO2 som en omedelbar kemisk prekursor. Tills nu, försök att återvinna växthusgasen, som är en stor bidragande orsak till klimatförändringarna, har misslyckats på grund av den extremt höga energi som krävs för att göra det.