Fornire un solido insieme di enzimi ossidativi come strumenti biocatalitici per la chimica verde
Le conversioni chimiche industriali sono generalmente condotte in condizioni difficili (temperatura e pressione elevate), spesso richiedono sostanze chimiche tossiche e generano sottoprodotti pericolosi. Nella ricerca di alternative più ecologiche, gli enzimi sono stati annunciati come sostituti dei catalizzatori chimici, un processo indicato come biocatalisi. Gli enzimi funzionano tipicamente in condizioni di reazione blande, usano cofermenti poco costosi (come l’ossigeno) e mostrano una selettività eccezionale e buone rese. Eppure, nonostante gli esiti positivi, lo sfruttamento su scala industriale dei biocatalizzatori è ostacolato dall’instabilità di molti enzimi. Il progetto ROBOX (Expanding the industrial use of Robust Oxidative Biocatalysts for the conversion and production of alcohols), sostenuto dall’UE, ha effettuato una raccolta di enzimi stabili, insieme a protocolli di conversione industriale. Il progetto è riuscito a sviluppare un enzima in grado di ossidare il glicerolo; applicare gli enzimi P450 per produrre metaboliti di farmaci su larga scala; applicare gli enzimi ADH e BVMO per produrre nuove molecole di fragranza, nonché precursori di polimeri speciali e prestazionali. Dimostrare reazioni target di enzimi ossidativi solidi La sostenibilità e l’economia dei processi industriali possono essere notevolmente migliorate con percorsi di ossidazione biocatalitica che utilizzano l’ossigeno molecolare (dall’aria) in condizioni benigne e blande (pH), come la temperatura e la pressione ambientali. Tuttavia, questo approccio, con i suoi costi elevati (> 1 000 EUR/kg) associati alla fase catalizzata da enzima, è stato considerato troppo costoso. Per affrontare la questione, ROBOX ha esplorato la fattibilità della biotrasformazione di quattro tipi di enzimi ossidativi solidi. «Questi tipi di biocatalizzatori eseguono ossidazioni con elevata selettività e specificità, spesso accompagnate da una buona resa. Tali risultati sarebbero difficili da ottenere nelle ossidazioni chimiche standard», spiega il coordinatore del progetto, il prof. Marco Fraaije. La glicerina è un importante sottoprodotto della produzione di biodiesel e un promettente prodotto chimico costitutivo, poiché la sua ossidazione genera composti preziosi, quali i gliceraldeidi, di interesse per la produzione di prodotti della chimica fine, prodotti farmaceutici o amminoacidi. Gli enzimi monoossigenasi (P450) nel fegato umano sono responsabili della disintossicazione di quasi tutti i farmaci in commercio; pertanto, la produzione biocatalitica di metaboliti di farmaci su larga scala è di grande importanza per la convalida dei risultati ottenuti dallo sviluppo di farmaci e da studi clinici. ROBOX ha inoltre sviluppato e applicato solidi enzimi alcoldeidrogenasi (ADH), alcol ossidasi (AOX) e monoossigenasi Baeyer-Villiger (BVMO), nella produzione biocatalitica di nuovi composti di fragranza e precursori polimerici, dimostrando la superiorità di questo gruppo di enzimi ossidativi rispetto alla chimica tradizionale. ROBOX ha convalidato e ottimizzato le reazioni target per questi enzimi su scala di laboratorio in applicazioni farmaceutiche, nutrizionali, della chimica fine e materiali. Ove necessario, i rispettivi enzimi sono stati migliorati dall’ingegneria delle proteine sono stati identificati nuovi enzimi solidi attraverso l’estrazione del genoma. «Questo approccio integrato ha coinvolto l’intera catena dalla scoperta di enzimi fino all’applicazione su larga scala», afferma Fraaije. «Durante il progetto, abbiamo scartato alcune reazioni target come non fattibili in base a una rigorosa valutazione tecnico-economica. Tuttavia, questa strategia ha funzionato con successo per la maggior parte dei casi, consentendo un ulteriore sfruttamento della biocatalisi ossidativa». Ampliare la serie di strumenti della chimica sostenibile. I risultati di ROBOX contribuiscono alla produzione di sostanze chimiche verdi, utilizzate in materiali quali plastica, prodotti farmaceutici e inchiostri, essenziali per lo sviluppo di una bioeconomia. Per iniziare a quantificare le credenziali ecologiche, il team ROBOX ha eseguito un’analisi comparativa del ciclo di vita per una delle reazioni target di BVMO. «La rispettiva ossidazione enzimatica ha avuto un impatto ambientale inferiore rispetto al suo equivalente chimico, se si considera il riciclaggio di solventi ed enzimi. Inoltre, l’impatto sui cambiamenti climatici della reazione biocatalizzata può essere ridotto del 71 % quando viene utilizzata l’energia rinnovabile», afferma Fraaije. A tutt’oggi, il progetto ha generato brevetti per i partner del progetto e una start-up biotecnologica attraverso l’università di Groningen.
Parole chiave
ROBOX, biocatalizzatore, verde, chimica, ossidazione, enzima, inquinamento, conversione industriale, plastica, prodotti farmaceutici, bioeconomia
