Sød succes:Nyt enzymatisk biosystem høster potentialet i sukkermaltosen

Mikroorganismefri enzymbaserede reaktionssystemer bruges nu til produktion af brint, bioelektricitet og nyttige biokemikalier. I disse biosystemer nedbrydes råmaterialer kaldet substrater af en række enzymer (dvs. biologiske katalysatorer) for at opnå det ønskede slutprodukt. I flere tilfælde er substraterne kulhydrater såsom saccharose, cellulose eller stivelse. I det første trin af disse reaktioner omdannes saccharose til glucosederivater som ɑ-glucose 1-phosphat (ɑ-G1P) eller glucose 6-phosphat (G6P), som tjener som vigtige mellemprodukter for yderligere reaktioner.

På trods af dets praktiske anvendelse og lave omkostninger, bruges maltose sjældent som et substrat for enzymatiske biosystemer. Dette skyldes, at traditionelle enzymer omdanner maltose til β-G1P i stedet for ɑ-G1P (dets spejlbillede) eller G6P. I modsætning til ɑ-G1P og G6P kan β-G1P ikke bearbejdes yderligere for at opnå det ønskede slutprodukt.

En ny undersøgelse, offentliggjort den 1. juli 2022 i BioDesign Research , har løst dette problem på en yderst innovativ måde. I denne undersøgelse udviklede forskere fra Kina et nyt syntetisk enzymatisk biosystem, der tillader biofremstilling af værdifulde produkter ved hjælp af maltose som substrat. Prof. Chun You, den ledende efterforsker i undersøgelsen, kommenterer, at "maltose er så omkostningseffektiv, det er det foretrukne sukker i fødevareindustrien. Men dets anvendelser som råmateriale til biosyntese har længe været begrænset. Vores nye syntetisk reaktionsbiosystem løser dette problem og giver mulighed for øget brug af maltose i biofremstillingssektoren."

Hvert maltosemolekyle består af to glukosemolekyler, forbundet gennem det første og det fjerde kulstofatom. Til sammenligning består saccharose af et glucose- og et fructosemolekyle, bundet gennem det første og andet carbonatom. Gennem en stringent trinvis tilgang designede prof. Du og hans team først enzymatiske processer, der teoretisk kunne omdanne begge glukosemolekylerne i maltose til G6P. De rensede derefter individuelt disse enzymer, optimerede "opskriften" og konstruerede det in vitro enzymatiske reaktionsbiosystem, som bestod af tre enzymer:maltosephosphorylase (MP), β-phosphoglucomutase (β-PGM) og polyphosphat glucokinase (PPGK). Deres foreløbige resultater viste, at deres strategi var vellykket – det tredelte enzymsystem kunne omdanne hvert maltosemolekyle til to G6P-molekyler.

Styrket af disse resultater satte gruppen sig for at nå endnu et højdepunkt. G6P var kun en mellemting. Deres egentlige mål var at opnå værdifulde slutprodukter fra maltose. Til dette formål fokuserede de på to vigtige produkter, hvoraf det første var fructose 1,6-diphosphat (FDP). FDP blev valgt på grund af dets kliniske værdi i behandlingen af ​​iskæmisk skade, anfald og diabeteskomplikationer. Det andet produkt var bioelektricitet, en form for miljøvenlig energi.

To separate reaktionssystemer blev designet til disse slutprodukter. Det tredelte enzymmodul var den primære komponent i begge disse reaktionssystemer. Efterfølgende blev det første reaktionssystem forsynet med downstream-enzymer til syntese af FDP fra G6P, mens enzymer, der muliggjorde bioelektricitetsgenerering fra G6P, blev tilføjet til det andet system.

Gennem deres intelligente design opnåede det 5-enzym in vitro FDP-producerende biosystem og 14-enzym batterisystemet den effektive produktion af henholdsvis FDP og bioelektricitet. Udbyttet af FDP kunne øges til mere end 88 % af det teoretiske udbytte, mens den producerede bioelektricitet havde en energieffektivitet på mere end 96 % og en maksimal effekttæthed på 0,6 milliwatt pr. kvadratcentimeter.

Tilsammen øger disse resultater anvendelsesmulighederne for maltose som et biosyntesesubstrat. Prof. You forklarer, at "potentialet for maltose som råmateriale til biofremstilling er stort set uudnyttet. Vores undersøgelse foreslår nye anvendelsesscenarier for dette sukker. Mens vi fokuserede på FDP og bioelektricitet i denne undersøgelse, er der talrige andre anvendelser, som kan være udforsket i fremtidige undersøgelser." Han tilføjer, at deres "strategi også repræsenterer en ny tilgang til den højeffektive generering af bioelektricitet og nyttige biokemikalier." + Udforsk yderligere

Den søde smag af succes for en understøttet nikkelphosphid nanolegeringskatalysator