Химическая промышленность сталкивается с проблемой замены строительных блоков на основе ископаемых видов топлива экологически чистыми альтернативами. Биомасса является интересным источником молекул на основе углерода. Он также используется недостаточно, поскольку около 25 процентов всей растительной биомассы находится в форме лигнина, биополимера, который пока можно использовать только в качестве твердого топлива.

Команда ученых, в том числе "инженер по ферментам" Марко Фраайе из Университета Гронингена, в настоящее время разработала фермент, который может использовать мономер лигнина в химическом синтезе. Этот фермент был описан в статье Nature Communications.

Растительная биомасса является привлекательным источником молекул на основе углерода. Однако около четверти этого материала составляет лигнин, биополимер, который трудно расщепить на полезные химические строительные блоки. В результате лигнин в основном используется в качестве экологически чистого топлива в производстве энергии. Поэтому ученые во всем мире ищут способы более эффективного использования лигнина.

Ароматы

Профессор Марко Фраайе, руководитель группы молекулярной энзимологии в Университете Гронингена, участвует в европейском исследовательском проекте, направленном на валоризацию биомассы, и он положил глаз на лигнин. "Мы знали, что группа из Левенского университета в Бельгии разработала химический процесс для расщепления этого полимера. Но, к сожалению, полученные мономеры не очень полезны в химическом синтезе".

Вот почему Фраайе и его коллеги в рамках проекта SMARTBOX (Селективные модификации ароматических соединений посредством биокаталитических окислений) рассмотрели способы модификации этого мономера.

"Химическая деполимеризация лигнина может привести к образованию множества различных молекул, и одна из них показалась мне очень полезной", - говорит Фраайе. Этот ароматический мономер называется пропилгуаякол и почти идентичен соединению, которое используется для производства отдушек. Это ароматическая молекула, состоящая из кольцевой структуры и короткого хвоста из трех атомов углерода. "Мы хотели вставить двойную связь в хвост, чтобы его было легче использовать в качестве строительного блока. И я знал фермент, который мог бы сделать это".

Алкоголь

Однако тесты показали, что этот конкретный фермент работает не очень хорошо и из-за него получается неправильный продукт. Но Фраайе верил, что при некоторой настройке фермент сможет справиться с этой задачей. "Вместе с партнером в Барселоне мы затем использовали вычислительные инструменты, чтобы предсказать, какие модификации необходимы, чтобы сделать фермент более стабильным, более селективным и быстрее превращающим мономер в полезный строительный блок".

Первые два шага были выполнены относительно быстро. "Мы должны поблагодарить за это компьютерные расчеты; они стали очень надежными. В прошлом нам просто приходилось создавать большое количество мутантов и надеяться, что один из них показал улучшение". Стабильность улучшилась, так что фермент оставался активным в течение пары дней.

Это снижает затраты, связанные с заменой отработанных партий ферментов. Кроме того, фермент модифицировал бы углеродный хвост либо в алкен, либо в спирт. Последнее не очень полезно, и, исключая воду из активного центра фермента, реакция может быть форсирована в направлении образования алкена.

Увеличение масштаба

Пока все хорошо, но оказалось, что стабильный и селективный фермент работает катастрофически медленно. "Затем коллеги из Павии определили структуру фермента", - говорит Фраайе. "И оказалось, что субстрат был ковалентно связан с активным центром". Ковалентные связи - это очень прочные химические связи, поэтому высвобождение субстрата заняло довольно много времени. "Такая ковалентная связь между ферментом и субстратом очень редка, но я действительно столкнулся с ней сам во время моей собственной докторской работы".

Когда эта проблема была решена с помощью другого этапа разработки, фермент работал превосходно. Фраайе говорит: "Мы уже проводили эксперименты, в результате которых был получен грамм конечного продукта". Молекула может быть использована в ароматизаторах, но также может служить исходным соединением для целого ряда других соединений, таких как ванилин, полимеры, мелкодисперсные химикаты или эпоксидные смолы.

Другой партнер проекта, пилотный завод Bio Base Europe в Генте (Бельгия), позаботится о расширении масштабов производства модифицированного пропилгуаякола. Работа Марко Фраайе над проектом SMARTBOX подошла к концу. Но он, несомненно, найдет другие ферменты для разработки.