Forskere skaber nanomembran for at øge reaktionshastigheden i kemisk produktion

Gennemstrømningsreaktorer spækket med enzymer kan producere visse kemikalier på en skånsom og forsigtig måde. Deres ydeevne har dog indtil videre været begrænset. Et forskerhold fra Helmholtz-Zentrum Hereon og RWTH Aachen University har nu været i stand til at øge udbyttet tusindfold.

Ved hjælp af en skræddersyet nanomembran er det lykkedes at bringe de molekyler, der skal omdannes, i meget tættere kontakt med enzymerne og derved øge reaktionshastigheden dramatisk. Den nye proces kan blandt andet bruges til bæredygtig produktion af fosfat. Arbejdsgruppen præsenterer sine resultater i tidsskriftet Nature Communications .

Enzymer er biokatalysatorer, der kan bruges til at fremstille kemikalier på en miljøvenlig og energibesparende måde. Processen gør det dog ikke altid nemt at bruge dem effektivt. Et af begreberne er gennemstrømningsreaktorer. De består af små kanaler, hvis vægge enzymerne klæber. Når en opløsning strømmer gennem disse kanaler, kan molekylerne indeholdt i opløsningen dokkes på biokatalysatorerne for at reagere med deres hjælp til at danne det ønskede produkt.

Hidtil har disse reaktorer ikke fungeret optimalt, da de normalt har millimeterstore kanaler – enzymerne er derimod nanometerstore. Som følge heraf kommer mange af de molekyler, der strømmer igennem, ikke engang i kontakt med biokatalysatorerne og har derfor ingen mulighed for en kemisk reaktion.

Støddæmper til enzymer

For at løse dette problem brugte arbejdsgruppen en speciel membran udviklet på Helmholtz-Zentrum Hereon i Geesthacht. "Denne membran er skabt ved selvsamling af såkaldte blokcopolymerer," forklarer Dr. Volker Abetz, leder af Hereon Institute of Membrane Research og professor i fysisk kemi ved universitetet i Hamburg. "Deres overflade har en høj tæthed af lige store cylindriske porer." Disse er bittesmå med en diameter på kun 50 nanometer. Under overfladen er en mere åben porøs struktur lavet af den samme blokcopolymer.

Forskerne brugte et specielt designet hjælpemolekyle - en slags klæbende peptid - til at snøre disse porevægge med enzymer. "Det binder til porevæggen med den ene side og til enzymet med den anden," forklarer Dr. Ulrich Schwaneberg, professor i bioteknologi ved RWTH Aachen University og medlem af den videnskabelige ledelse af Leibniz Institute for Interactive Materials. "Peptidet fungerer som en slags støddæmper, der hele tiden holder enzymet i en vis afstand fra porevæggen."

Holdet brugte et enzym kaldet fytase til deres prototype. Det forårsager nedbrydning af phytat, en fosforholdig forbindelse, der blandt andet findes i korn. I praksis tilsættes fytaseenzymet f.eks. dyrefoder. Dette fremmer frigivelsen af ​​biogent fosfat, som derefter kan bruges som en bæredygtig gødning.

Vellykket udholdenhedstest

"Prototypen af ​​vores flowreaktor har et relativt simpelt design," siger Hereon-forsker Dr. Zhenzhen Zhang. "Membranen er omtrent på størrelse med et ark papir plus et system, der tillader fytatopløsningen at strømme gennem membranen."

Som følge heraf kunne omkring tusind gange flere phytatmolekyler omdannes til fosfat på grund af de smalle porer tæt pakket med enzymer end i de tidligere gennemstrømningsreaktorer - et bemærkelsesværdigt udbytte. Det var også nyttigt, at membranporerne var elektrisk positivt ladede og phytatmolekylerne negativt ladede. De resulterende tiltrækningskræfter var også med til at bringe molekylerne i kontakt med enzymerne.

"Vi testede membranen i 30 dage, og den mistede meget lidt af sin effektivitet," siger Zhang. "Det burde bestemt være muligt at opskalere vores reaktor til industriel skala." Da Hereon-processen også kan bruges til at fremstille membraner med mindre eller større porer, burde det også være muligt at udstyre reaktoren med andre enzymer, der så kan accelerere andre kemiske reaktioner.

Der er dog stadig ubesvarede spørgsmål, der skal afklares. "Vi har endnu ikke forstået i detaljer, hvordan membranstrukturerne er dannet," forklarer Abetz. "Hvis det lykkes, håber vi at kunne producere de cylindriske porer i membranen på en meget mere målrettet måde end tidligere."

Flere oplysninger: Zhenzhen Zhang et al., En enzymatisk reaktor med kontinuerlig strømning baseret på en porestørrelsesmatchende nano- og isoporøs blokcopolymermembran, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47007-y

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres