Et nyt ERC-projekt sigter mod at forbedre vores forståelse af enzymstabilitet og udvide området for potentielle anvendelser af biokatalyse.
Professor John Woodley fra DTU Kemiteknik har modtaget et Advanced Grant fra ERC, European Research Council. Bevillingen på 18 mio. kr. vil i de næste fem år finansiere hans forskning i enzymer og effekten på deres stabilitet, når de anvendes inden for videnskab og industri.
Den enzymbaserede industri er enorm, men stabilitet er stadig et problem. Årsagen bag er et grundvidenskabeligt spørgsmål, der fortsat er ubesvaret. I naturen katalyserer enzymer, som er proteiner, de kemiske processer der er nødvendige for at celler kan fungere.
Uden for naturen, både i i videnskaben og industrien, udfører de stort set de samme funktioner, men katalyserer i stedet kemiske processer til fordel for fødevareindustrien, bioteknologi, kemi og medicin. Imidlertid mister enzymer deres stabilitet i disse praktiske, men for dem uvante anvendelser. De folder sig ud og mister deres struktur og aktivitet - og vi ved ikke præcist, hvordan eller hvorfor. Det er en udfordring, forklarer John Woodley, da vi også gerne vil bruge enzymer i mange andre miljøer:
”Jeg tror, at muligheden for at bruge enzymer er langt større, end det vi har opnået indtil nu. Der er et enormt potentiale, som for eksempel kan gøre det muligt at lave billigere kemiske produkter. I dag fremstilles langt størstedelen af vores kemikalier ved hjælp af traditionelle kemiske metoder. Det kan vi gøre meget bedre ved at bruge enzymbaseret katalyse til at skabe mere bæredygtige løsninger. Men det kræver, at vi nedbringer omkostningerne. Der findes mange producenter af enzymer, men de store virksomheder er eksperter på dette, så det kan vi ikke forbedre. Hvad vi kan gøre, er dog at få enzymerne til at holde længere. Og det er et spørgsmål om stabilitet.”
Flere hypoteser
I sit ERC-projekt vil John Woodley teste flere hypoteser. Kort fortalt, at kontakt med gasser og organiske væsker og gentagne processer alle begrænser enzymernes stabilitet. For eksempel vil tilførsel af ilt til en proces skabe en gas-væske-grænseflade. Det vil gøre det muligt, at opnå en ønsket reaktion, men det er ofte skadeligt for enzymerne og vil i sidste ende begrænse deres anvendelse. Men der kan også være helt nye måder at køre enzym-reaktorerne på, som vi endnu ikke forstår, og som vi derfor ikke ved, hvordan vi skal udnytte.
Normalt måles enzymers stabilitet ved at udsætte dem for forskellige temperaturer eller pH-værdier. Ifølge John Woodley overser man imidlertid effekten af blanding i tankene, eksponering for høje koncentrationer af andre stoffer og ikke mindst de dynamiske grænseflader (gas-væske eller væske-væske), selvom de er almindelige i de fleste praktiske anvendelser.
”Vi er nødt til at forbedre stabiliteten for at bevæge os mod nye anvendelser og billigere produkter og kemikalier. Selv i de tilfælde, hvor stabiliteten er tilstrækkelig i dag, forstår vi ikke, hvad der forårsager tabet på lang sigt. Vi bevæger os i et ikke-naturligt miljø i mange industrielle processer, hvor vi ikke ved, hvordan enzymerne fungerer. Det er interessant at se, hvordan en naturlig katalysator kan arbejde i ikke-naturlige miljøer, og at forstå mekanismerne. Så samtidig med at der helt sikkert vil opstå teknisk udvikling i dette projekt, så er det også et grundlæggende spørgsmål om at forstå, hvad der foregår,” siger han.
Forbedret design af udstyr
Til det formål vil John Woodley designe nyt udstyr, der efterligner de store tanke og reaktorer, som i dag bruges i den enzymbaserede industri. Målet er også at udvikle nye og forbedrede designs til industrielt udstyr, som kan øge stabiliteten. Måske kan et nyt reaktordesign bane vejen for nye applikationer, der f.eks. leverer ilt på en ny måde. En anden potentiel fordel ved forskningen er bedre screening af enzymer for netop stabilitet under ikke-naturlige forhold, så man kan finde de bedst egnede enzymer til et bestemt formål.
Desuden hævder John Woodley, at det virkelige potentiale ved biokatalyse stadig er langt fra at blive realiseret. Det er også den primære årsag til, at mange nye anvendelser af enzymer endnu ikke har vist sig at være økonomisk levedygtige:
”Effekten af projektet vil være, at folk, der arbejder med at forbedre enzymer, vil lære mere om, hvordan man gør, teste for stabilitet og identificere potentielle problemer. Men da enzymer er proteiner, handler det ikke kun om enzymer. Der er mange andre interessante anvendelser af proteiner, også som lægemidler. Meget af det, vi kommer frem til her, vil også kunne bruges i andre industrier, hvor proteiner er produkterne snarere end katalysatorerne.”