Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các enzyme và ánh sáng được tái sử dụng là chìa khóa để sản xuất các hợp chất hóa học theo cách thân thiện với môi trường.
Bằng cách pha trộn sinh học và quang xúc tác và thử nghiệm các 'thành phần phản ứng', nhóm nghiên cứu đã phát triển một phản ứng cảm ứng ánh sáng nhìn thấy bằng cách sử dụng enzyme ene-reductase (ER). Các chất nền được sử dụng trong nghiên cứu này, anken, có thể được lấy từ nguyên tắc từ các axit béo sinh khối; các sản phẩm cuối cùng là các hợp chất carbonyl chirus có giá trị với các ứng dụng dược phẩm tiềm năng.
Một bài báo được xuất bản trên tạp chí Nature mô tả một nghiên cứu do Xiaoqiang Huang, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Illinois thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử (ChBE) của Viện nghiên cứu sinh học (R.B) của Viện nghiên cứu sinh học Carl R. Woese (IGB) . Huang làm việc trong phòng thí nghiệm của giáo sư ChBE Huimin Zhao, Trưởng nhóm chuyển đổi tại Trung tâm đổi mới năng lượng sinh học và sinh học (CABBI), một Trung tâm nghiên cứu năng lượng sinh học được tài trợ bởi Bộ năng lượng Hoa Kỳ (BRC).
Chất xúc tác là các chất được sử dụng để tăng tốc độ phản ứng hóa học; trong các sinh vật sống, các phân tử protein được gọi là enzyme xúc tác các phản ứng trong một quá trình gọi là xúc tác sinh học.
Xúc tác sinh học đang nhanh chóng nổi lên như một cách thức sắc thái, nhanh nhẹn để tổng hợp các hợp chất có giá trị. Các nhà khoa học đang nghiên cứu khả năng của các enzyme để xúc tác các phản ứng khác nhau và vì lý do chính đáng: các phản ứng xúc tác sinh học có tính chọn lọc cao, có nghĩa là các nhà khoa học có thể sử dụng enzyme để tác động lên các chất nền cụ thể và tạo ra các sản phẩm mục tiêu.
Phản ứng enzyme cũng rất bền vững vì chúng tương đối rẻ tiền, tiêu thụ năng lượng thấp và gây thiệt hại tối thiểu cho môi trường: trong khi các chất xúc tác hóa học thường yêu cầu dung môi hữu cơ, nhiệt và áp suất cao để hoạt động, các chất sinh học hoạt động trong dung dịch nước, hoạt động tại điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất bình thường.
Mặc dù giá trị của chúng đối với khoa học và tính bền vững, các enzyme có thể phức tạp để làm việc với. Các enzyme phản ứng có thể xúc tác được giới hạn ở những chất được tìm thấy trong tự nhiên; điều này có nghĩa là các nhà khoa học thường phải vật lộn để tìm ra chất sinh học hoàn hảo để đáp ứng nhu cầu của họ.
(adv)
Quá trình này tương tự như trộn sơn: Làm thế nào một nghệ sĩ có thể kết hợp một cách sáng tạo các màu sắc đã có trên một bảng màu để tạo ra sắc thái phù hợp? Trong ngôn ngữ của một phản ứng hóa học: Làm thế nào các nhà khoa học có thể tận dụng các enzyme đã tồn tại trong tự nhiên để tạo ra các sản phẩm họ cần?
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một giải pháp: một phản ứng cảm ứng ánh sáng có thể sử dụng enzyme ene-reductase (ER) làm chất sinh học và có thể tạo ra sản lượng cao các hợp chất carbonyl có giá trị.
"Giải pháp của chúng tôi có thể được coi là 'tái sử dụng.' Chúng tôi sử dụng các enzyme đã biết xảy ra trong tự nhiên và tái sử dụng chúng cho một phản ứng mới lạ ", Zhao nói.
Nói cách khác, các nhà nghiên cứu không cần thêm một loại sơn mới vào bảng màu - họ đã khám phá ra một cách nghệ thuật để kết hợp những gì đã có.
Các phản ứng enzyme "được tái sử dụng" này không chỉ hiệu quả về mặt kinh tế và môi trường, mà còn rất được mong đợi: các hợp chất carbonyl chirus có các ứng dụng tiềm năng trong ngành dược phẩm được sử dụng để sản xuất thuốc.
Giải pháp của nhóm đặc biệt độc đáo ở chỗ nó hợp nhất phương pháp sinh học với quang xúc tác - trong đó ánh sáng được sử dụng làm nguồn năng lượng kích hoạt tái tạo - trong một phản ứng quang hóa mới.
Trong quá trình nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều loại chất nền (nghĩa là chất mà chất xúc tác hoạt động), ghi lại phản ứng của các enzyme ER để phản ứng với từng chất. Quá trình này có thể so sánh với việc nướng bánh quy sô-cô-la hóa học: bằng cách giữ mức độ ánh sáng không đổi và điều chỉnh "thành phần" (tức là ER và chất nền), nhóm nghiên cứu có thể dần dần khoanh tròn theo phản ứng mong muốn.
Sử dụng hiểu biết hóa học và thiết kế thông minh để tổng hợp các sản phẩm giá trị gia tăng là đặc trưng của chủ đề Chuyển đổi của CABBI.
"Tạo chức năng enzyme mới là một trong những thách thức khoa học lớn của CABBI", Zhao nói. "Nghiên cứu này giải quyết thách thức đó bằng cách phát hiện ra những tiểu thuyết sử dụng enzyme và cho thấy những gì chúng có khả năng."
Các chất được sử dụng trong nghiên cứu này (các hợp chất hydrocarbon được gọi là anken) cũng phù hợp với nhiệm vụ của CABBI để điều tra các ứng dụng của sinh khối thực vật. Về nguyên tắc, các axit béo từ các loại cây trồng như miscanthus, lúa miến và mía có thể được chuyển đổi thành anken, sau đó có thể được sử dụng thay thế cho các chất nền gốc dầu mỏ để tạo ra các hợp chất có giá trị.
Bằng cách pha trộn sinh học và quang xúc tác và thử nghiệm với các "thành phần phản ứng" khác nhau, nghiên cứu này đã mở rộng tiết mục của enzyme ER để tổng hợp các hợp chất có giá trị cao, số lượng lớn.
Nhưng hợp nhất ánh sáng với enzyme chỉ là khởi đầu.
"Chúng tôi không có nghĩa là giới hạn trong việc tạo ra các hợp chất carbonyl chirus," Huang nói. "Hy vọng rằng, nghiên cứu này sẽ truyền cảm hứng cho các nhà khoa học kết hợp một số loại enzyme và khám phá các lựa chọn mới cho khả năng phản ứng."
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng dựa trên nghiên cứu này để tạo ra một danh mục sản phẩm đa dạng hơn nữa - và mở rộng hơn nữa dựa trên lợi ích kinh tế và môi trường của enzyme.
Theo: sciencedaily
Nguồn: Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Illinois.
