Genomströmningsreaktorer packade med enzymer kan producera vissa kemikalier på ett skonsamt och försiktigt sätt. Deras prestanda har dock hittills varit begränsad. Ett forskarlag från Helmholtz-Zentrum Hereon och RWTH Aachen University har nu kunnat öka avkastningen tusenfaldigt.
Med hjälp av ett skräddarsytt nanomembran har de lyckats få molekylerna som ska omvandlas till mycket närmare kontakt med enzymerna och därigenom ökat reaktionshastigheten dramatiskt. Den nya processen skulle kunna användas för hållbar produktion av bland annat fosfat. Arbetsgruppen presenterar sina resultat i tidskriften Nature Communications .
Enzymer är biokatalysatorer som kan användas för att producera kemikalier på ett miljövänligt och energibesparande sätt. Processen gör det dock inte alltid lätt att använda dem effektivt. Ett av begreppen är genomströmningsreaktorer. De består av små kanaler vars väggar enzymerna fäster. När en lösning strömmar genom dessa kanaler kan molekylerna i lösningen docka på biokatalysatorerna för att med deras hjälp reagera för att bilda den önskade produkten.
Hittills har dessa reaktorer inte fungerat optimalt, eftersom de oftast har millimeterstora kanaler — enzymerna är däremot nanometerstora. Som ett resultat kommer många av molekylerna som strömmar igenom inte ens i kontakt med biokatalysatorerna och har därför ingen möjlighet till en kemisk reaktion.
För att lösa detta problem använde arbetsgruppen ett speciellt membran utvecklat vid Helmholtz-Zentrum Hereon i Geesthacht. "Detta membran skapas genom självmontering av så kallade blocksampolymerer", förklarar Dr. Volker Abetz, chef för Hereon Institute of Membrane Research och professor i fysikalisk kemi vid universitetet i Hamburg. "Deras yta har en hög densitet av lika stora cylindriska porer." Dessa är små, med en diameter på bara 50 nanometer. Under ytan finns en mer öppen porös struktur gjord av samma segmentsampolymer.
Forskarna använde en specialdesignad hjälpmolekyl – en sorts adhesiv peptid – för att spetsa dessa porväggar med enzymer. "Det binder till porväggen med ena sidan och till enzymet med den andra", förklarar Dr Ulrich Schwaneberg, professor i bioteknik vid RWTH Aachen University och medlem av den vetenskapliga ledningen för Leibniz Institute for Interactive Materials. "Peptiden fungerar som en slags stötdämpare som håller enzymet på ett visst avstånd från porväggen hela tiden."
Teamet använde ett enzym som heter fytas för sin prototyp. Det orsakar nedbrytning av fytat, en fosforhaltig förening som bland annat finns i spannmål. I praktiken tillsätts fytasenzymet till exempelvis djurfoder. Detta främjar frisättningen av biogent fosfat, som sedan kan användas som ett hållbart gödningsmedel.
"Prototypen av vår flödesreaktor har en relativt enkel design", säger Hereon-forskaren Dr Zhenzhen Zhang. "Membranet är ungefär lika stort som ett pappersark, plus ett system som låter fytatlösningen flöda genom membranet."
Som ett resultat, på grund av de smala porerna tätt packade med enzymer, kunde ungefär tusen gånger fler fytatmolekyler omvandlas till fosfat än i de tidigare genomströmningsreaktorerna – ett anmärkningsvärt utbyte. Det var också användbart att membranporerna var elektriskt positivt laddade och fytatmolekylerna negativt laddade. De resulterande attraktionskrafterna hjälpte också till att få molekylerna i kontakt med enzymerna.
"Vi testade membranet i 30 dagar, och det förlorade väldigt lite av sin effektivitet", säger Zhang. "Det borde verkligen vara möjligt att skala upp vår reaktor till industriell skala." Eftersom Hereon-processen även kan användas för att producera membran med mindre eller större porer bör det även vara möjligt att utrusta reaktorn med andra enzymer som sedan kan accelerera andra kemiska reaktioner.
Det finns dock fortfarande obesvarade frågor att klargöra. "Vi har ännu inte förstått i detalj hur membranstrukturerna bildas", förklarar Abetz. "Om vi lyckas hoppas vi kunna producera de cylindriska porerna i membranet på ett mycket mer riktat sätt än tidigare."
Mer information: Zhenzhen Zhang et al, En enzymatisk reaktor med kontinuerligt flöde baserad på ett porstorleksmatchande nano- och isoporöst blocksampolymermembran, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47007-y
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
