L'industria consuma grandi quantità di petrolio greggio per produrre sostanze di base per farmaci, cosmetici, plastica, o cibo. Però, questi processi consumano molta energia e producono rifiuti. I processi biologici con gli enzimi sono molto più sostenibili. Le molecole proteiche possono catalizzare varie reazioni chimiche senza che siano necessari materiali ausiliari o solventi. Ma sono costosi e, quindi, sono stati finora economicamente poco attraenti. I ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno ora sviluppato un nuovo biomateriale che facilita notevolmente l'uso degli enzimi. I risultati sono presentati sulla rivista Angewandte Chemie .

I catalizzatori assicurano una rapida reazione delle sostanze basiche al prodotto finale desiderato con un basso consumo energetico. Quindi, sono di grande importanza per l'industria chimica. In circa il 90% di tutti i processi chimici, vengono applicati i catalizzatori. Gli scienziati di KIT hanno ora sviluppato un biomateriale alternativo ecologico, il cui utilizzo è associato a ridotti consumi energetici. "A lungo termine, tali materiali biocatalitici devono essere utilizzati nella produzione automatica di composti di base a valore aggiunto senza complesse fasi di sintesi e pulizia e con una quantità minima di rifiuti derivanti, " afferma il professor Christof Niemeyer dell'Istituto per le interfacce biologiche del KIT.

Per questo scopo, gli scienziati hanno modificato gli enzimi naturali in modo che si autoassemblano in un biocatalizzatore stabile. Simile a un adesivo bicomponente, gli enzimi formano un materiale di tipo gel. Questo materiale viene applicato su trucioli di plastica con depressioni a forma di scanalatura. L'essiccazione porta alla concentrazione e alla formazione dell'idrogel. Quindi, questo chip è ricoperto da una lamina di plastica e le sostanze basiche possono essere pompate attraverso le scanalature e vengono convertite nei prodotti finali desiderati dai biocatalizzatori. Il gel biocatalizzatore rimane. Non sono necessari solventi o alte temperature e pressioni, che rende il processo altamente sostenibile e compatibile con l'ambiente.

Poiché un grande volume di reazione esiste su uno spazio più piccolo, i tassi di conversione in tali reattori a flusso miniaturizzati o piccoli recipienti di reazione sono molto elevati. Il loro utilizzo nei processi biocatalitici, però, è ancora agli inizi, poiché finora sono stati necessari materiali di supporto per fissare gli enzimi nel reattore. Questi vettori hanno bisogno di spazio nel reattore che poi non è più disponibile per il biocatalizzatore. Il nuovo biomateriale, al contrario, aderisce al supporto e il reattore può essere riempito con una quantità massima di biocatalizzatore. Inoltre, può essere riciclato completamente, è biodegradabile, altamente stabile, e raggiunge rese estremamente elevate nelle reazioni, per i quali sono necessari materiali ausiliari costosi.

Rispetto ai materiali chimici, i biocatalizzatori sono particolarmente vantaggiosi quando i cosiddetti enantiomeri sono prodotti mediante un processo. Questi sono composti che sono immagini speculari l'uno dell'altro. Di regola, solo uno dei composti è necessario per la reazione, il secondo può anche avere effetti indesiderati. Con l'aiuto di biocatalizzatori, è possibile la produzione specifica di uno dei due composti, mentre i processi chimici spesso richiedono materiali ausiliari costosi per questo scopo o la separazione del composto indesiderato.

Il lavoro è stato svolto nell'ambito del programma Helmholtz "BioInterfaces in Technology and Medicine" (BIFTM). "Il nostro lavoro di ricerca e sviluppo è stato possibile solo con le attrezzature e le infrastrutture di questo programma, " afferma Christof Niemeyer. Nell'ambito di questo programma, gli scienziati di KIT cooperano tra le discipline per studiare e utilizzare sistemi biologici per applicazioni successive nei settori della bioingegneria industriale e medica. L'elevata interdisciplinarietà richiede un'ampia competenza metodologica che copra la produzione e la caratterizzazione dei materiali, nonché metodi di simulazione basati sui dati. Questo know-how è disponibile su KIT.