Modificeret bakterie omdanner petroleum direkte til byggesten til plast

En bakterie opfylder et længe næret ønske fra mange kemikere. E. coli bakterien, som er blevet modificeret for at udstyre den med specielle enzymer, har vist sig at lave byggeklodser til plast, såsom polyestere, direkte fra oliekomponenter kaldet alkaner, bruger meget lidt energi. Denne undersøgelse blev udført af Youri van Nuland, og han fik sin doktorgrad for denne forskning ved Wageningen University &Research den 20. oktober.

For at fremstille plast, de pågældende byggeklodser skal kobles til hinanden, hver byggesten har brug for to specielle kemiske grupper, som kan sammenlignes med 'kroge' eller 'øjne', ved dens ender. Alkandiolerne er særligt vigtige byggesten. De er alkaner, såsom propan og butan, med to alkoholgrupper i enderne, og de kan bruges til fremstilling af polyestere, polyurethaner, polyamider og anden plast.

Alkandiol-byggestenene på markedet er ofte lavet af de mere komplekse råmaterialer acetylen eller benzen, via en række energikrævende trin, der frigiver store mængder af drivhusgasserne kuldioxid og lattergas (nitrogenoxid). Seks kilogram CO2 udledes pr. kilogram produkt. Omkring 1,8 millioner tons butandiol produceres årligt.

Kemisk ønskeliste

En oplagt løsning ville derfor være at lave disse alkandiol byggesten direkte fra simple, let tilgængelige alkaner, ved at udstyre begge ender af disse molekyler med en alkoholgruppe eller 'krog'. Denne omdannelse bruger lidt energi og frigiver kun begrænsede mængder drivhusgasser. En konverteringsmetode af denne art har derfor stået højt på ønskelisten siden den petrokemiske industris fødsel.

Indtil nu, imidlertid, de mange industri- og universitetslaboratorier har ikke været i stand til at realisere en direkte vej til at syntetisere disse byggesten til fremstilling af plast. Problemet var, at under processen, de indre carbonatomer i alkanerne var udstyret med en alkoholgruppe såvel som de ydre carbonatomer. Det betød, at den kemiske reaktion ikke var specifik nok og gav uønskede biprodukter. Alkoholgrupperne var, i øvrigt, omdannet til syregrupper eller hele molekylet blev brændt til kuldioxid og vand.

Enzymet alkanhydroxylase (AlkB) er specifikt i stand til kun at udstyre de ydre carbonatomer af alkaner med alkoholgrupper, selvom det også ændrer alkoholgrupperne til syregrupper. Desuden, det er den kun i stand til på den ene side af alkanmolekylet. Det så ud, som om kemikerens ønsker ikke skulle opfyldes; der var et dødvande.

Imidlertid, Youri van Nuland, en ph.d.-studerende i forskningsgruppen Bioprocess Engineering ved Wageningen University &Research, er det nu lykkedes at realisere den ønskede omdannelse fra alkaner til alkandioler ved hjælp af AlkB-enzymet. Han genmodificerede en stamme af E. coli-bakterien og udstyrede den med AlkB og et andet enzym, alkohol acetyltransferase. Atf1-enzymet beskytter hurtigt alkoholgruppen dannet af AlkB, ved at sætte den i stand til at reagere med eddikesyre til dannelse af en stabil ester, før den kan omdannes yderligere til en syregruppe. Et overraskende punkt her er, at AlkB nu også er i stand til at udstyre den anden ende af alkanen med en alkoholgruppe, og at Atf1 også sætter denne i stand til at reagere og danne en ester. Esterne dannet af en alkandiol er lette at omdanne til den nødvendige alkandiol, og denne omdannelse kræver lidt energi.

Youri van Nuland har demonstreret denne omdannelse i laboratorieskala med alkaner, der varierer fra butan til decan. Yderligere optimering og opskalering vil være nødvendig for at gøre metoden til en industriel proces. Et patent afventer hans opdagelse.