Un team di ricerca di Bochum ha sviluppato un nuovo metodo per guidare gli enzimi cataliticamente attivi.

Rispetto ai metodi chimici tradizionali, la catalisi enzimatica presenta numerosi vantaggi. Ma ha anche dei punti deboli. Alcuni enzimi non sono molto stabili. Gli enzimi che convertono il perossido di idrogeno sono addirittura inattivati ​​da alte concentrazioni del substrato. Un gruppo di ricerca presso la Ruhr-Universität Bochum (RUB), insieme a partner internazionali, ha sviluppato un processo in cui il materiale di partenza, cioè perossido di idrogeno, viene alimentato ai biocatalizzatori in modo controllato mediante plasma. Gli enzimi stessi sono protetti dai componenti dannosi del plasma da uno strato tampone. Utilizzando due enzimi modello, il team ha dimostrato che il processo funziona, come riportato sulla rivista ChemSusChem dal 5 febbraio 2020.

Condizioni più miti, minor consumo e spreco di energia

Nella biocatalisi, le sostanze chimiche sono prodotte dalle cellule o dai loro componenti, in particolare dagli enzimi. La biocatalisi presenta molti vantaggi rispetto ai processi chimici tradizionali:le condizioni di reazione sono generalmente molto più miti, il consumo di energia è inferiore e si producono meno rifiuti tossici. L'elevata specificità degli enzimi significa anche che si verificano meno reazioni collaterali. Inoltre, alcuni prodotti chimici fini possono essere sintetizzati solo mediante biocatalisi.

Il punto debole della biocatalisi enzimatica è la bassa stabilità di alcuni enzimi. "Poiché l'enzima deve essere spesso sostituito in questi casi, il che è costoso, è estremamente importante aumentare la stabilità in condizioni di produzione, ", spiega l'autore principale Abdulkadir Yayci della cattedra di microbiologia applicata guidata dalla professoressa Julia Bandow.

Perossido di idrogeno:necessario, ma dannoso

Il team di ricerca ha studiato due classi simili di enzimi:perossidasi e perossigenasi. Entrambi usano il perossido di idrogeno come materiale di partenza per le ossidazioni. Il problema cruciale è che il perossido di idrogeno è assolutamente necessario per l'attività, ma a concentrazioni più elevate porta ad una perdita di attività degli enzimi. Per quanto riguarda queste classi di enzimi, è quindi fondamentale fornire acqua ossigenata in dosi precise.

A tal fine, i ricercatori hanno studiato i plasmi come fonte di perossido di idrogeno. Il plasma descrive il quarto stato della materia che si crea quando si aggiunge energia a un gas. Se i liquidi vengono trattati con plasma, si forma un gran numero di specie reattive dell'ossigeno e dell'azoto, alcuni dei quali poi reagiscono per formare perossido di idrogeno di lunga durata, che può essere utilizzato per la biocatalisi.

Sono possibili reazioni biocatalitiche con perossido di idrogeno generato dal plasma

In un esperimento in cui la perossidasi di rafano è servita come uno degli enzimi modello, il team ha dimostrato che questo sistema funziona in linea di principio. Allo stesso tempo, i ricercatori hanno identificato i punti deboli del trattamento al plasma:"Il trattamento al plasma attacca e inattiva direttamente anche gli enzimi, molto probabilmente attraverso l'elevata reattività, specie a vita breve nel liquido trattato con plasma, " delinea Abdulkadir Yayci. Il gruppo di ricerca ha migliorato le condizioni di reazione legando l'enzima a un materiale di supporto inerte. Questo crea una zona tampone sopra l'enzima in cui le specie plasmatiche altamente reattive possono reagire senza danneggiare l'enzima.

I ricercatori hanno quindi testato il loro approccio utilizzando un secondo enzima, la perossigenasi aspecifica del fungo Agrocybe aegita. Questa perossigenasi ha la capacità di ossidare un gran numero di substrati in modo altamente selettivo. "Abbiamo dimostrato con successo che questa specificità viene mantenuta anche durante il trattamento al plasma e che sono possibili reazioni biocatalitiche altamente selettive utilizzando il plasma, " conclude Julia Bandow.