Utilizzando una nanomembrana realizzata su misura, sono riusciti a portare le molecole da convertire a un contatto molto più stretto con gli enzimi, aumentando così notevolmente la velocità di reazione. Il nuovo processo potrebbe essere utilizzato, tra le altre cose, per la produzione sostenibile di fosfato. Il gruppo di lavoro presenta i suoi risultati sulla rivista Nature Communications .

Gli enzimi sono biocatalizzatori che possono essere utilizzati per produrre sostanze chimiche in modo rispettoso dell'ambiente e con risparmio energetico. Tuttavia, il processo non sempre semplifica il loro utilizzo efficiente. Uno dei concetti sono i reattori a flusso. Sono costituiti da piccoli canali alle cui pareti aderiscono gli enzimi. Quando una soluzione scorre attraverso questi canali, le molecole contenute nella soluzione possono agganciarsi ai biocatalizzatori per reagire con il loro aiuto per formare il prodotto desiderato.

Finora questi reattori non hanno funzionato in modo ottimale, poiché di solito hanno canali di dimensioni millimetriche; gli enzimi, invece, sono di dimensioni nanometriche. Di conseguenza, molte delle molecole che fluiscono non entrano nemmeno in contatto con i biocatalizzatori e quindi non hanno alcuna possibilità di reazione chimica.

Ammortizzatore per enzimi

Per risolvere questo problema, il gruppo di lavoro ha utilizzato una membrana speciale sviluppata presso l’Helmholtz-Zentrum Hereon a Geesthacht. "Questa membrana viene creata dall'autoassemblaggio dei cosiddetti copolimeri a blocchi", spiega il dottor Volker Abetz, direttore dell'Istituto di ricerca sulle membrane di Hereon e professore di chimica fisica all'Università di Amburgo. "La loro superficie ha un'alta densità di pori cilindrici di uguali dimensioni." Questi sono minuscoli, con un diametro di soli 50 nanometri. Sotto la superficie c'è una struttura porosa più aperta realizzata con lo stesso copolimero a blocchi.

Gli scienziati hanno utilizzato una molecola aiutante appositamente progettata, una sorta di peptide adesivo, per allacciare queste pareti dei pori con enzimi. "Si lega da un lato alla parete dei pori e dall'altro all'enzima", spiega il dottor Ulrich Schwaneberg, professore di biotecnologia all'Università RWTH di Aquisgrana e membro della direzione scientifica dell'Istituto Leibniz per i materiali interattivi. "Il peptide agisce come una sorta di ammortizzatore che mantiene l'enzima sempre a una certa distanza dalla parete dei pori."

Il team ha utilizzato un enzima chiamato fitasi per il loro prototipo. Provoca la decomposizione del fitato, un composto contenente fosforo che si trova tra le altre cose nei cereali. In pratica, l'enzima fitasi viene aggiunto, ad esempio, al mangime per animali. Ciò favorisce il rilascio di fosfato biogenico, che può quindi essere utilizzato come fertilizzante sostenibile.

Test di resistenza superato

"Il prototipo del nostro reattore a flusso ha un design relativamente semplice", afferma il ricercatore di Hereon, il dottor Zhenzhen Zhang. "La membrana ha le dimensioni di un foglio di carta, più un sistema che consente alla soluzione di fitato di fluire attraverso la membrana."

Di conseguenza, a causa dei pori stretti e densamente pieni di enzimi, è stato possibile convertire in fosfato circa mille volte più molecole di fitato rispetto ai precedenti reattori a flusso continuo:una resa notevole. Era anche utile che i pori della membrana fossero caricati elettricamente positivamente e le molecole di fitato caricate negativamente. Le forze attrattive risultanti hanno inoltre contribuito a mettere le molecole in contatto con gli enzimi.

"Abbiamo testato la membrana per 30 giorni e ha perso pochissimo della sua efficienza", afferma Zhang. "Dovrebbe essere certamente possibile portare il nostro reattore su scala industriale." Poiché il processo Hereon può essere utilizzato anche per produrre membrane con pori più piccoli o più grandi, dovrebbe essere possibile dotare il reattore anche di altri enzimi in grado di accelerare altre reazioni chimiche.

Ci sono però ancora delle domande senza risposta da chiarire. "Non abbiamo ancora capito nel dettaglio come si formano le strutture della membrana", spiega Abetz. "Se ci riusciamo, speriamo di riuscire a produrre i pori cilindrici nella membrana in un modo molto più mirato rispetto a prima."