Forskningen är ett steg mot att integrera enzymer i den nuvarande kemiska industrins infrastruktur. Kredit:University of Bath
Naturens kraft kan snart användas för att skapa vardagsmaterial som färger, kosmetika och läkemedel på ett mycket mer miljövänligt sätt, tack vare ett nytt genombrott från forskare.
Det internationella laget, som involverar Dr Simon Freakley från Center for Sustainable Chemical Technologies vid University of Bath, har framgångsrikt låst upp de katalytiska förmågorna hos enzymer tagna från svampar genom att skapa de perfekta förhållanden som behövs för att de ska fungera.
Detta kan potentiellt leda till grönare sätt att skapa en mängd industriella kemikalier på ett mycket mer effektivt sätt, genom att kombinera enzymet med en heterogen katalysator och endast producera vatten som reaktionsbiprodukt.
Katalys är processen att öka hastigheten för en kemisk reaktion genom att tillsätta ett ämne som kallas en katalysator.
Katalysatorer används i stor utsträckning inom industrin för att producera produkter på ett mycket snabbare och mer effektivt sätt, med den globala katalysmarknaden värderad till mer än 25 miljarder dollar.
Ändå är forskare ständigt på jakt efter potentiella nya katalysatorer och vänder sig ofta till naturen för inspiration. Enzymer, som är kända för att katalysera många biokemiska reaktionstyper, är oöverträffade när det gäller att påskynda kemiska reaktioner under milda förhållanden och har länge varit självklara kandidater.
Av särskilt intresse för forskare är enzymer kända som peroxygenaser som härrör från svampar, bland andra organismer.
För att fungera effektivt när det används i industrin, enzymer behöver en stadig tillförsel av oxidant, som för peroxygenaser vanligtvis tillhandahålls från väteperoxid (H 2 O 2 ).
Den H 2 O 2 själv tillhandahålls ofta av en annan stödjande katalysator, med nuvarande tillvägagångssätt som använder ytterligare enzymsystem, men detta resulterar ofta i komplicerade reaktionsblandningar.
Ett nytt tillvägagångssätt har varit att kombinera väte (H 2 ) och syre (O 2 ) direkt för att producera H 2 O 2 ; dock, de specifika katalysatorer som används för denna typ av reaktion fungerar under mycket svåra förhållanden som enzymer inte gillar.
Som sådan, detta har utgjort ett stort hinder för forskare som försöker maximera den katalytiska potentialen hos enzymer eftersom de har funnit det svårt att utveckla stödjande katalysatorer som kan fungera i ett enzyms idealiska miljö utan att skada själva enzymet.
I deras nya studie, publiceras i tidskriften Naturkommunikation , teamet har framgångsrikt utvecklat en katalysator gjord av guld- och palladiumnanopartiklar som kan producera en stadig ström av H 2 O 2 till enzymet under mycket mer benigna tillstånd. Detta konsumeras av enzymet i samma reaktionskärl för att utföra den kemiska omvandlingen, resulterar i endast vatten som en biprodukt av hela den kombinerade katalytiska processen.
Huvudförfattaren Dr. Freakley sa:"Vår katalysator kan producera precis rätt mängd H 2 O 2 för enzymet att driva hela processen under milda förhållanden. Dessa omvandlingar skulle kräva mycket hårdare förhållanden om man bara använder traditionella heterogena katalysatorer.
"Vi visar att H 2 O 2 konsumeras av enzymet för att oxidera en rad organiska molekyler med hög selektivitet.
"Detta är ett extremt viktigt steg mot att utnyttja kraften hos enzymer för att skapa en rad molekyler, från råvaror till finkemikalier, på ett mycket grönare och mer effektivt sätt. Visar möjligheten att biokatalysatorer kan integreras i den nuvarande kemiska infrastrukturen."
