Industrijska biokataliza sa enzimima se smatra „promenom igre“ u razvoju održive hemijske industrije. Enzimi se mogu koristiti za sintezu impresivnog spektra složenih molekula, uključujući farmaceutske supstance, pod uslovima kompatibilnim sa životnom sredinom.
Istraživači Tehnološkog instituta u Karlsrueu (KIT) su sada razvili novu klasu materijala proizvodnjom enzimske pene ogromne stabilnosti i aktivnosti. Svoje nalaze su objavili u Naprednim materijalima. Istraživači su već podneli patentnu prijavu za proces proizvodnje enzimske pene.
Industrijska biokataliza se uglavnom koristi za proizvodnju farmaceutskih proizvoda i specijalnih hemikalija. Da bi unapredili ovaj proces, istraživači rade na novim procesnim tehnologijama. U biokatalizi, enzimi ubrzavaju reakcije umesto hemijskih katalizatora. Ovo štedi resurse i energiju.
Trenutni rad je usmeren na kontinuirano obezbeđivanje velikih količina enzimskih biokatalizatora pod što je moguće blažim uslovima. Da bi se postigla efikasna konverzija supstanci, enzimi se imobilišu u mikrostrukturiranim protočnim reaktorima. Oni su prostorno fiksirani i vezani za inertni materijal. Otuda je njihova pokretljivost ograničena, što rezultira većom koncentracijom enzima i većom produktivnošću.
Normalno, penjenje menja strukturu enzima i enzimi gube svoju biokatalitičku aktivnost. Nove proteinske pene, međutim, imaju ogromnu stabilnost i aktivnost. Aktivnost je mera efikasnosti enzima koja obezbeđuje da početne supstance reaguju jedna sa drugom što je brže moguće.
Za proizvodnju proteinske pene, dva enzima dehidrogenaze se mešaju, koji nose podudarna mesta da spontano formiraju stabilnu proteinsku mrežu. „Zatim se ovoj mešavini dodaje protok gasa u mikrofluidnom čipu za kontrolisano formiranje mikroskopskih mehurića ujednačene veličine“, objašnjava profesor Kristof Nimajer sa Instituta za biološke interfejse 1. Pena sa ujednačenom veličinom mehurića se nanosi direktno na plastične strugotine i osušene, usled čega se proteini polimerizuju i formiraju stabilnu heksagonalnu rešetku.
„Ove monodisperzne pene sa svim enzimima su trodimenzionalne porozne mreže koje se sastoje isključivo od biokatalitički aktivnih proteina“, kaže Nimejer. Stabilna heksagonalna struktura saća pena ima srednji prečnik pora od 160 µm i debljinu lamela od 8 µm. Formira se od uniformnih sfernih mehurića nakon nekoliko minuta.
Da bi se enzimi efikasno koristili za reakcije konverzije, oni moraju biti imobilisani u velikim količinama pod najnežnijim uslovima kako bi održali svoju aktivnost. Do sada su enzimi bili imobilisani na polimerima ili česticama nosača. Međutim, za njih je potreban vredan reaktorski prostor i aktivnost enzima može biti smanjena. „U poređenju sa našim ‘svim enzimskim hidrogelovima’, novi materijali na bazi pene imaju daleko veću površinu na kojoj se može odvijati željena reakcija“, ističe Nimajer.
Za razliku od teoretski očekivanih rezultata, nove pene iznenađujuće pokazuju zapanjujuće visoku izdržljivost, mehaničku otpornost i katalitičku aktivnost enzima, što ranije nije bilo postignuto u penušavim proteinima. Istraživači pretpostavljaju da je stabilnost rezultat odgovarajućih spojeva enzima. Oni omogućavaju enzimima da se samosastavljaju i formiraju novu materijalnu mrežu neprevaziđene stabilnosti tokom sušenja.
„Iznenađujuće, novorazvijene enzimske pene su daleko stabilnije nakon sušenja tokom četiri nedelje od istih enzima bez pene“, kaže Nimajer. „Ovo je posebno korisno za komercijalizaciju procesa, jer su proizvodnja na zalihama i isporuka znatno olakšani.“
Novi biomaterijali otvaraju mnoge mogućnosti za inovacije u industrijskom bioinženjeringu, nauci o materijalima ili prehrambenoj tehnologiji. Proteinske pene mogu se koristiti u biotehnološkim procesima za efikasniju i održiviju proizvodnju vrednih jedinjenja. Istraživači su, na primer, koristili penu za proizvodnju tagatoze koja je obećavajuća alternativa rafinisanom šećeru.
