Tutkijat löysivät uusia tapoja hyödyntää biomassasta saatavia kemikaaleja
Luonnollisilla katalyyteilla saadaan yksinkertaisista biojalostamokemikaaleista muokattua arvokkaita ja toiminnallisia rakennuspalikoita synteettisen kemian tarpeisiin.
Räätälöidyt bakteerit tulevaisuuden työkaluina biojalostamofuraanien hyödyntämisessä. Kuva: Jan Deska
Aalto-yliopiston synteettisen orgaanisen kemian työryhmän tutkijat ovat kehittäneet innovatiivisen menetelmän, joka käyttää entsyymejä eloperäisten furaanien hyödyntämiseen. Näin luodaan orgaanisia rakenteita, jollaisia esiintyy muun muassa hajusteissa, lääkevalmisteissa ja mutkikkaissa bioaktiivisissa luonnontuotteissa, kuten vitamiineissa.
Monien furaanipohjaisten kemikaalien yleinen raaka-aine on furfuraali. Se on tärkeä lignoselluloosan biomassasta saatava peruskemikaali, jota on vuosien saatossa hyödynnetty menestyksekkäästi erilaisissa furaanipohjaisissa biopolttoaineissa ja ympäristöystävällisissä liuottimissa. Tavoiteltaessa korkean lisäarvon tuotteita hienokemian sovellusten riittämätön kompleksisuus sekä niiden vaatimat kalliit ja ympäristölle arveluttavat raskasmetallikatalyytit luovat kuitenkin suuria haasteita.
Nyt kehitetty luonnon omiin katalyytteihin – entsyymeihin – perustuva teknologia tarjoaa perinteisiin lähestymistapoihin verrattuna korkeimman bioyhteensopivuuden ja luontoystävällisemmän jalanjäljen.
Jäljittelemällä luonnolle alun perin vierasta klassista kemiaa tutkijoiden tavoitteena oli laajentaa biokatalyyttista työkaluvalikoimaa ja käyttää entsyymejä entistä monipuolisemmin.
”Tässä nimenomaisessa entsymaattisessa reaktiossa onnistuimme ensinnäkin korvaamaan yksinkertaisella proteiinikatalyytillä yleisesti käytetyn iridiumin, joka on yksi maankuoren harvinaisimmista alkuaineista, ja siksi tavattoman kallista. Lisäksi käyttämällä muutoksessa entsyymejä voimme nyt ensimmäistä kertaa suorittaa reaktion hyvin geometrisesti valikoivalla eli stereoselektiivisellä tavalla, mikä tarkoittaa sitä, että hyödyllisiä laktonirakenteita sisältäviä tuotteita saadaan puhtaimmassa mahdollisessa muodossa”, kertoo tutkijatohtori Yu-Chang Liu.
Uusia mahdollisuuksia yhdistää perinteinen kemia nykyaikaiseen bioteknologiaan
Tutkijat onnistuivat myös palauttamaan juuri löydetyn entsyymitoiminnon luonnolliseen ympäristöön lisäämällä tarvittavan proteiinin geneettisen koodin isäntäbakteeriin. Näin yksi tärkeimmistä kemiallisista muutoksista voidaan toteuttaa erityisesti suunnitellulla pieneliöllä, jolloin furaaneista voi olla mahdollista tuottaa arvokkaita kemikaaleja soluja käyttämällä.
”Kun eläviin organismeihin lisätään ei-luonnollisia toiminnallisuuksia, voimme merkittävästi laajentaa biologisen tuotannon mahdollisuuksia tulevaisuudessa. Kyky taivutella pieneliöitä osallistumaan sellaisiin kemiallisiin muutoksiin, joita ei esiinny missään luonnosta löytyvässä reaktioketjussa, avaa näkymiä perinteisen kemian menetelmien sulauttamiselle yhteen nykyaikaisen bioteknologian mahtavan uuden maailman kanssa”, sanoo tutkimusjohtaja professori Jan Deska.
Tutkimus "Enantioconvergent Biocatalytic Redoxisomerization" julkaistiin hiljattain Angewandte Chemie International Edition -lehdessä 2018, 57, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201804911, täydentäen tutkimusryhmän alustavaa julkaisua vuodelta 2014 (Nature Communications, 2014, 5, 5278).
Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia, Novo Nordisk -säätiö ja German Research Foundation.
Lisätietoja:
Professori Jan Deska
jan.deska@aalto.fi
Aalto-yliopisto, kemian ja materiaalitieteen laitos