_ Cercetătorii creează nanomembrană pentru a crește reacția rata în producția chimică

Reactoarele cu flux continu pline cu enzime pot produce anumite substanțe chimice într-un mod blând și atent. Cu toate acestea, performanța lor a fost până acum limitată. O echipă de cercetare de la Helmholtz-Zentrum Hereon și RWTH Aachen University a reușit acum să mărească randamentul de o mie de ori.

Folosind o nanomembrană personalizată, au reușit să transforme moleculele în mult. contact mai strâns cu enzimele, crescând astfel dramatic viteza de reacție. Noul proces ar putea fi folosit pentru producția durabilă de fosfat, printre altele. Grupul de lucru își prezintă rezultatele în revista Nature Communications.

Enzimele sunt biocatalizatori care pot fi utilizați pentru a produce substanțe chimice într-un mod ecologic și economisind energie. Cu toate acestea, procesul nu face întotdeauna ușoară utilizarea lor eficientă. Unul dintre concepte este reactoarele cu flux. Ele constau din canale mici la ai căror pereți aderă enzimele. Atunci când o soluție curge prin aceste canale, moleculele conținute în soluție se pot andoca pe biocatalizatori pentru a reacționa cu ajutorul lor pentru a forma produsul dorit.

Până în prezent, aceste reactoare nu au funcționat optim, deoarece de obicei au canale de dimensiuni milimetrice - enzimele, pe de altă parte, sunt de dimensiuni nanometrice. Ca urmare, multe dintre moleculele care curg prin ele nici măcar nu intră în contact cu biocatalizatorii și, prin urmare, nu au posibilitatea unei reacții chimice.

Pentru a rezolva această problemă, grupul de lucru a folosit o membrană specială dezvoltată la Helmholtz-Zentrum Hereon din Geesthacht. „Această membrană este creată prin auto-asamblarea așa-numiților copolimeri bloc”, explică dr. Volker Abetz, șeful Institutului Hereon de Cercetare a Membranelor și profesor de chimie fizică la Universitatea din Hamburg. „Suprafața lor are o densitate mare de pori cilindrici de dimensiuni egale”. Acestea sunt minuscule, cu un diametru de doar 50 de nanometri. Sub suprafață se află o structură poroasă mai deschisă, făcută din același copolimer bloc.

Oamenii de știință au folosit o moleculă auxiliară special concepută - un fel de peptidă adezivă - pentru a împere a acești pereți pori cu enzime. „Se leagă de peretele porilor cu o parte și de enzimă cu cealaltă”, explică dr. Ulrich Schwaneberg, profesor de biotehnologie la Universitatea RWTH Aachen și membru al conducerii științifice a Institutului Leibniz pentru Materiale Interactive. „Peptida acționează ca un fel de amortizor care menține enzima la o anumită distanță de peretele porilor în orice moment.”

Echipa a folosit o enzimă numită fitază pentru prototipul lor. Provoacă descompunerea fitatului, un compus care conține fosfor care se găsește, printre altele, în cereale. În practică, enzima fitază este adăugată în hrana animalelor, de exemplu. Acest lucru promovează eliberarea de fosfat biogenic, care poate fi apoi folosit ca îngrășământ durabil.

„Prototipul reactorului nostru cu flux are un design relativ simplu”, spune cercetătorul Hereon, dr. Zhenzhen Zhang. „Membrana are aproximativ dimensiunea unei foi de hârtie, plus un sistem care permite soluției de fitat să curgă prin membrană.”

Ca urmare, datorită porilor îngusti plini dens de enzime, aproximativ de o mie de ori mai multe molecule de fitat ar putea fi convertite în fosfat decât în ​​reactoarele anterioare cu flux continu — un randament remarcabil. De asemenea, a fost util ca porii membranei să fie încărcați electric pozitiv, iar moleculele de fitat încărcate negativ. Forțele de atractivitate rezultate au ajutat și la aducerea moleculelor în contact cu enzimele.

„Am testat membrana timp de 30 de zile și și-a pierdut foarte puțin din eficiență”, spune Zhang. „Ar trebui să fie cu siguranță posibilă extinderea reactorului nostru la o scară industrială”. Deoarece procesul Hereon poate fi folosit și pentru a produce membrane cu pori mai mici sau mai mari, ar trebui să fie posibilă echiparea reactorului cu alte enzime care pot accelera apoi alte reacții chimice.

Cu toate acestea, există încă fără răspuns. întrebări de clarificat. „Nu am înțeles încă în detaliu cum se formează structurile membranei”, explică Abetz. „Dacă reușim, sperăm să putem produce porii cilindrici din membrană într-un mod mult mai țintit decât înainte.”

(Fluierul)