Enzime transformate în mărgele rezistente pentru o producție chimică mai sustenabilă
Cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Karlsruhe (KIT) au dezvoltat o tehnologie care permite asamblarea enzimelor în mărgele stocabile de dimensiuni milimetrice. În acest proces, enzimele acționează nu doar ca și catalizatori, ci constituie ele însele materialul din care sunt fabricate mărgelele. O variantă suplimentară permite combinarea rețelelor de enzime cu celule vii. Pentru această tehnologie a fost depusă o cerere de brevet, iar rezultatele au fost publicate în revista Advanced Materials.
În biocataliză, enzimele sunt folosite pentru a accelera reacțiile în locul catalizatorilor chimici, care sunt adesea toxici. Această abordare economisește materii prime și energie. Pentru ca tehnologia să poată fi utilizată pe scară largă în industria chimică, biocatalizatorii trebuie să fie disponibili în cantități mari și în mod continuu, să poată fi depozitați, transportați și dozați cu ușurință.
Pentru a îndeplini aceste cerințe, o echipă condusă de profesorul Christof Niemeyer de la Institutul pentru Interfețe Biologice 1 al KIT a perfecționat conceptul numit AEH (hidrogeluri all-enzyme). Acesta implică dotarea enzimelor cu module moleculare de legare complementare. „Când blocurile complementare se întâlnesc, se organizează singure în rețele proteice tridimensionale”, a declarat Niemeyer. „Astfel, enzimele sunt simultan catalizatori și material structural al mărgelelor — un avantaj major față de metodele convenționale. Evităm materialul suport inactiv, crescând eficiența reacției chimice dorite.”
Cercetătorii au folosit aceste proprietăți pentru a sintetiza mărgele ușor de manipulat în doi pași. Mai întâi, au combinat blocurile enzimatice complementare în picături de lichid și le-au consolidat prin congelare rapidă în azot lichid. Ulterior, liofilizarea a produs mărgele proteice poroase, robuste din punct de vedere mecanic, de o dimensiune definită. Particulele uscate pot fi readuse în lichid și apoi utilizate pentru reacții biocatalitice.
Un sistem modular din enzime și celule
Echipa a folosit o varietate largă de enzime și tipuri de reacții pentru a demonstra versatilitatea metodei. Atât funcții catalitice individuale, cât și sisteme formate din mai multe enzime — cu sau fără aditivi suplimentari — au putut fi încorporate în mărgele. „Compoziția materialului poate fi personalizată pentru a se potrivi reacției dorite”, a spus Niemeyer. „Este un fel de sistem modular: putem asambla diferite module enzimatice în rețele catalitice folosind molecule de legare definite și apoi le transformăm într-o formă de particulă ușor de manipulat.”
Oamenii de știință au demonstrat de asemenea utilizarea mărgelelor AEH în reactoare cu flux continuu timp de mai multe ore. Echipa a efectuat teste suplimentare pentru a combina blocurile enzimatice cu celule ale bacteriei Escherichia coli, sintetizând mărgele hibride. Spre deosebire de enzime, celulele sunt capabile să furnizeze, de exemplu, energie chimică sau să creeze intermediari. Mărgelele hibride au rămas catalitic active după mai mult de patru săptămâni de depozitare uscată la temperatura camerei. Chiar și după cinci luni de depozitare, funcțiile sistemelor celulă-enzimă au putut fi confirmate. Mai mult, cercetătorii au demonstrat că celule viabile pot fi recuperate din materiale păstrându-și funcționalitatea genetică.
Aplicații vizate: produse chimice fine sau farmaceutice
„Cu mărgele hibride, conectăm două forme de biocataliză, care de obicei sunt considerate separat”, a spus Niemeyer. „Ne permit să combinăm enzime individuale într-un mod țintit și, în același timp, să valorificăm capacitățile celulelor vii. Rezultă un material care unește cele două abordări și este ușor de manipulat.”
Aplicațiile posibile includ, de exemplu, producția de produse chimice fine, agenți de aromă, blocuri de construcție pentru ingrediente farmaceutice active și alte produse chimice de înaltă calitate.
