Aangepast enzym maakt bouwstenen uit lignine bruikbaar
Een team onder leiding van enzym-ingenieur Marco Fraaije (RUG) ontwikkelde een enzym dat een bouwsteen van lignine bruikbaar maakt voor chemische synthese.
biomassa niet optimaal benut
De chemische industrie moet verduurzamen, onder meer door bouwstenen uit olie te vervangen door groene alternatieven. Een tot op heden onderbenut alternatief voor koolstofgebaseerde moleculen is Biomassa van planten. Die biomassa bestaat echter voor een kwart uit de biopolymeer lignine, die zich moeilijk laat afbreken tot bruikbare bouwstenen. De meeste lignine verdwijnt dan ook in de ovens van energiecentrales.
Lignine beter benutten
Daarom werken wetenschappers wereldwijd aan manieren om beter gebruik te maken van deze groene grondstof. RUG-hoogleraar Marco Fraaije, hoofd van de groep Moleculaire Enzymologie zoekt binnen een Europees onderzoeksproject naar waardevolle toepassingen van biomassa en focust daarbij op lignine.
"Een groep aan KU Leuven ontwikkelde wel een chemisch proces om de ligninepolymeer af te breken, maar de resulterende monomeren zijn helaas niet goed bruikbaar als chemische bouwstenen."
aanpassing van monomeren binnen SMARTBOX
Daarom gingen Fraaije en zijn collega’s op zoek naar manieren om die monomeren aan te passen. Dit gebeurde binnen het Europese project SMARTBOX: 'Selective Modifications of ARomatics Through Biocatalytic Oxidations' oftewel de selectieve modificatie van aromatische stoffen door biokatalytische oxidatie.
Propylguiaiacol
"De chemische afbraak van lignine kan een aantal verschillende moleculen opleveren, en één daarvan zag er veelbelovend uit", vertelt Fraaije. Dit monomeer heet propylguaiacol en is bijna identiek aan isoeugenol, een grondstof voor de productie van geurstoffen. Het is een aromatisch molecuul, wat wil zeggen dat het een ringstructuur bevat. Aan de ring zit een korte staart bestaande uit drie koolstofatomen.
"Wij wilden een dubbele binding aanbrengen in die staart om het molecuul tot een beter bruikbare bouwsteen te maken. Ik kende een enzym dat dit voor elkaar zou kunnen krijgen." Tests lieten echter zien dat dit toch niet goed werkte. Bovendien resulteerde het in een verkeerd eindproduct.
Berekenen van beNodigde aanpassingen
Fraaije verwachtte dat dit met wat kleine aanpassingen van het enzym wel te verhelpen was. "Samen met een partner uit Barcelona gebruikten we rekenkundige modellen om te voorspellen welke aanpassingen nodig waren om het enzym stabieler, selectiever en sneller te maken in het omzetten van de monomeer in een nuttige bouwsteen."
"De eerste twee stappen waren relatief snel gezet dankzij de computerberekeningen, die tegenwoordig erg betrouwbaar zijn. In het verleden moesten we een groot aantal mutanten maken, hopend dat één ervan beter zou werken."
De stabiliteit verbeterde, waardoor het enzym enkele dagen kon blijven functioneren. Dat drukt de kosten, omdat er minder ‘vers’ enzym nodig is in het proces.
Verder kon het enzym van de koolstofstaart een alkeen of een alcohol maken. Die laatste is niet goed bruikbaar, maar door de reactie af te schermen van water, was het mogelijk om de reactie in de richting van de vorming van het alkeen te sturen.
covalente enzymbinding voorkomen
Het enzym werkte echter dramatisch langzaam. "We lieten dus de structuur bepalen door colllega’s in Pavia", vertelt Fraaije. "Zij ontdekten dat de monomeer op de plek waar de reactie plaatsvindt, zich covalent bindt aan het enzym." Covalente bindingen zijn erg sterk, dus het duurt lang voordat de aangepaste monomeer weer loskomt. "Zo’n covalente binding tussen enzym en substraat is erg zeldzaam, maar ik had het eerder al eens zien optreden, tijdens mijn eigen promotieonderzoek."
BOUWSTEEN VOOR GEURSTOFFEN, POLYMEREN EN FIJNCHEMICALIËN
Toen het probleem eenmaal duidelijk was, viel dit relatief eenvoudig te verhelpen met een extra aanpassing van het enzym. Daarna werkte het uitstekend. Fraaije: "We hebben bij tests al een gram van het eindproduct gemaakt."
Het molecuul is een bouwsteen voor geurstoffen en een hele reeks andere stoffen waaronder polymeren, fijnchemicaliën en epoxyhars.
Opschaling door Bio Base Europe Pilot Plant
Een andere partner in het EU-project, de Bio Base Europe Pilot Plant, in Gent, werkt inmiddels aan het opschalen van de productie van het aangepaste propylguaiacol.
Het enzym is beschreven in een artikel dat op 23 november verscheen in Nature Communications.
Bron: RUG