Gennembrud inden for industriel CO2-forbrug

Professor Arne Skerra fra Münchens Tekniske Universitet (TUM) er for første gang lykkedes med at bruge gasformig CO2 som grundmateriale til fremstilling af et kemisk masseprodukt i en bioteknisk reaktion. Produktet er methionin, som bruges som en essentiel aminosyre, især inden for dyrefoder, i stor skala. Denne nyudviklede enzymatiske proces kunne erstatte dens nuværende petrokemiske produktion. Resultaterne er nu offentliggjort i tidsskriftet Naturkatalyse .

Den industrielle produktion af methionin fra petrokemiske kildematerialer sker i øjeblikket via en seks-trins kemisk proces, der kræver meget giftig hydrogencyanid, blandt andre substrater. I 2013 Evonik Industries, en af ​​verdens største producenter af methionin, inviterede universitetsforskere til at foreslå nye processer til at gøre stoffet mere sikkert at fremstille. Methional, som forekommer i naturen som et nedbrydningsprodukt af methionin, dannes som et let mellemprodukt under den konventionelle proces.

"Baseret på ideen om, at methionin i mikroorganismer nedbrydes af enzymer til methional med frigivelse af CO2, vi forsøgte at vende denne proces, " forklarer professor Arne Skerra fra Institut for Biologisk Kemi på TUM, "fordi enhver kemisk reaktion i princippet er reversibel, mens ofte kun med omfattende brug af energi og pres." Skerra deltog i indkaldelsen af ​​forslag med denne idé, og Evonik tildelte konceptet og støttede projektet.

Støttet af postdoc-forsker Lukas Eisoldt, Skerra begyndte at bestemme parametrene for fremstillingsprocessen og for at producere de nødvendige biokatalysatorer (enzymer). Forskerne udførte indledende eksperimenter og bestemte det CO2-tryk, der ville være nødvendigt for at producere methionin fra methional i en biokatalytisk proces. Overraskende nok, et uventet højt udbytte resulterede selv ved et relativt lavt tryk - omtrent svarende til det i et bildæk på cirka to bar. Baseret på resultaterne efter blot et år, Evonik forlængede finansieringen, og nu holdet, forstærket af ph.d. studerende Julia Martin, undersøgt den biokemiske baggrund for reaktionen og optimeret de involverede enzymer ved hjælp af protein engineering.

Mere effektiv end fotosyntese

Efter flere års arbejde, ikke kun var det muligt at forbedre reaktionen i laboratorieskala til et udbytte på 40 procent, men også for at belyse den teoretiske baggrund for de biokemiske processer. "Sammenlignet med den komplekse fotosyntese, hvor naturen også biokatalytisk inkorporerer CO2 i biomolekyler som byggesten, vores proces er meget elegant og enkel, " rapporterer Arne Skerra. "Fotosyntese bruger 14 enzymer og har et udbytte på kun 20 procent, mens vores metode kun kræver to enzymer."

I fremtiden, det grundlæggende princip i denne nye biokatalytiske reaktion kan tjene som model for industriel produktion af andre værdifulde aminosyrer eller prækursorer til lægemidler. I mellemtiden Professor Skerras team vil forfine processen, som er patenteret, ved hjælp af proteinteknologi, så det bliver egnet til storskalaapplikation.

Det kan være første gang, at der er en bioteknologisk fremstillingsproces, der bruger gasformig CO2 som en umiddelbar kemisk forløber. Indtil nu, forsøg på at genbruge drivhusgassen, som er en væsentlig bidragyder til klimaændringer, har fejlet på grund af den ekstremt høje energi, der kræves for at gøre det.