Som biokatalysatorer kan enzymer göra många kemiska processer "grönare" och öppna lovande möjligheter för olika industrier från läkemedel till miljöteknik. Nya analysmetoder, den enorma ökningen av datavolymer och maskininlärning har hjälpt till att öka utvecklingen av biokatalys.
En publikation i tidskriften Science , koordinerad av Prof. Dr. Uwe Bornscheuer från University of Greifswald (DE) och Prof. Dr. Rebecca Buller från ZHAW (CH), sammanfattar utvecklingen inom biokatalys.
Enzymer har använts i biokatalys för att producera halvsyntetiska antibiotika, olika byggstenar för aktiva farmaceutiska ingredienser och baskemikalier som akrylamid för polymerer i decennier.
Biokatalys kan göra kemiska processer mer effektiva, specifika och energibesparande och är mot bakgrund av energibrist och klimatförändringar en ledstjärna för hopp om utvecklingen av grönare kemi och en heltäckande cirkulär ekonomi.
Under de senaste fem åren har innovativa och banbrytande framsteg gjorts inom detta område:Nyckelgenombrott har till exempel varit utvecklingen av nya bioinformatiska verktyg som maskininlärning, som underlättar skräddarsydd design av biokatalysatorer, eller möjligheten att utrusta enzymer med förmågan att genomföra nya kemiska reaktioner som inte är kända från naturen. Det är också möjligt att syntetisera komplexa molekyler som stärkelse från växthusgasen koldioxid, genom att på ett smart sätt kombinera enzymer.
Naturliga enzymer anpassas till sin metaboliska funktion genom evolution och måste därför optimeras för industriella tillämpningar med hjälp av proteinteknikmetoder. Även om detta har gjorts i nästan tre decennier, har viktiga nya metoder utvecklats under de senaste fem åren.
Inte bara har antalet proteinsekvenser som lagras i offentliga databaser ökat 20 gånger, utan tillförlitliga proteinstrukturer kan nu också genereras automatiskt och användas tillsammans med maskininlärningsmetoder för att snabbt anpassa biokatalysatorer till kraven i en industriell process.
Som ett resultat är det nu möjligt att använda biokatalys för att producera mycket komplexa läkemedelsmolekyler såsom islatravir för behandling av AIDS eller terapeutiska oligonukleotider. Den första författaren till Science artikel, Prof. Dr. Rebecca Buller, noterar att användningen av enzymer blir verklighet inom ett ökande antal områden. "Den snabba utvecklingen av bioinformatiska och molekylärbiologiska metoder gör den biokatalytiska syntesen av allt mer komplexa produkter möjlig, även genom att lära enzymer helt nya knep."
Omhändertagandet av plastavfall är ett annat globalt problem som kan lösas med hjälp av biokatalys. År 2020 beskrev till exempel proteinteknikmetoder ett mycket effektivt esteras som nu kan användas för att återvinna PET-plast i industriell skala.
"De toppmoderna enzymteknikmetoderna som sammanfattas i vår granskning bör därför göra det möjligt att etablera effektiva återvinningsprocesser för andra plaster inom överskådlig framtid", säger Prof. Dr. Uwe Bornscheuer.
Översiktsartikeln, skriven i samarbete med ett internationellt team av författare, sammanfattar den viktigaste utvecklingen inom biokatalys under det senaste decenniet, vilket den illustrerar med imponerande tillämpningsexempel. Den vågar också en blick in i framtiden för detta innovativa forskningsfält.
Förutom kombinationen av kemiska och enzymatiska katalysprocesser ser författarna också helt nya användningsområden för enzymer, till exempel vid framställning av RNA-terapeutika, inom genterapi och andra innovativa bidrag till bevarande av resurser och klimatskydd.
Mer information: R. Buller et al, Från natur till industri:Utnyttja enzymer för biokatalys, Science (2023). DOI:10.1126/science.adh8615
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Universität Greifswald
