Более мягкие условия, меньшее потребление энергии и отходов
В биокатализе химические вещества производятся клетками или их компонентами, в частности, ферментами. Биокатализ имеет много преимуществ по сравнению с традиционными химическими процессами: условия реакции обычно намного мягче, потребление энергии ниже и образуются менее токсичные отходы. Высокая специфичность ферментов также означает, что происходит меньше побочных реакций.
Более того, некоторые тонкие химические вещества могут быть синтезированы только путем биокатализа.
Слабым местом ферментного биокатализа является низкая стабильность некоторых ферментов. «Поскольку в таких случаях фермент часто приходится заменять – а это дорого – чрезвычайно важно повысить стабильность в производственных условиях», – объясняет ведущий автор Абдулкадир Яйчи с кафедры прикладной микробиологии под руководством профессора Джулии Бандоу.
Перекись водорода: необходима, но вредна
Исследовательская группа изучает два схожих класса ферментов: пероксидазы и пероксигеназы.
Оба используют перекись водорода в качестве исходного материала для окисления. Ключевой проблемой является то, что перекись водорода абсолютно необходима для активности, но в более высоких концентрациях она приводит к потере активности ферментов. Что касается этих классов ферментов, поэтому жизненно важно подавать перекись водорода в точных дозах.
С этой целью исследователи исследовали плазму как источник перекиси водорода.
Плазма описывает четвертое состояние вещества, которое создается при добавлении энергии к газу. Если жидкости обрабатываются плазмой, образуется большое количество активных форм кислорода и азота, некоторые из которых затем вступают в реакцию с образованием долгоживущей перекиси водорода, которую можно использовать для биокатализа.
Возможны биокаталитические реакции с перекисью водорода, образующейся из плазмы
В эксперименте, в котором пероксидаза хрена служила одним из модельных ферментов, команда показала, что эта система в принципе работает. В то же время исследователи определили слабые места плазменной обработки: «Плазменная обработка также напрямую атакует и инактивирует ферменты, скорее всего, через высокореактивные, короткоживущие частицы в обработанной плазмой жидкости», – подчеркивает Абдулкадир Яйджи. Исследовательская группа улучшила условия реакции, связав фермент с инертным носителем. Это создает буферную зону над ферментом, в которой высокореактивные частицы плазмы могут реагировать, не повреждая фермент.
Затем исследователи протестировали свой подход, используя второй фермент, неспецифическую пероксигеназу гриба Agrocybe aegerita. Эта пероксигеназа обладает способностью очень селективно окислять большое количество субстратов. «Мы успешно продемонстрировали, что эта специфичность сохраняется даже при обработке плазмой и что с использованием плазмы возможны высокоселективные биокаталитические реакции», – заключает Джулия Бандоу.