Endüstriyel CO2 Kullanımında Büyük Buluş
Fotoğraf: Karbon dioksit top-çubuk modeli.
Münih Teknik Üniversitesi’nden Profesör Arne Skerra, biyoteknik bir tepkimede kimyasal bir ürününün üretilmesinde başlangıç maddesi olarak ilk kez gaz formundaki CO2’i kullanmayı başardı. Bu ürün, özellikle hayvan yeminde büyük ölçüde kullanılan, birinci derecede önemli bir amino asit olan metiyonindir. Yeni geliştirilen bu enzimatik proses, mevcut petrokimyasal üretim metodunun yerini alabilir. Sonuçlar Nature Catalysis dergisinde yayımlandı.
Petrokimyasal kaynaklı malzemelerden elde edilen metiyoninin endüstriyel üretimi şu anda diğer substratlar arasında yüksek derecede zehirli olan hidrojen siyanür gerektiren altı aşamalı bir kimyasal işlemle gerçekleştirilmektedir. 2013 yılında, dünyanın en büyük metiyonin üreticilerinden biri olan Evonik Industries, üniversite araştırmacılarını bu kimyasal maddeyi daha güvenli hale getirmek için yeni prosesler geliştirmeye davet etti. Doğada metiyoninin bir bozunma ürünü olarak ortaya çıkan metiyonal, klasik süreçte bir ara madde olarak oluşur.
Münih Teknik Üniversitesi Biyokimya Bölümü’nden Profesör Arne Skerra, “Mikroorganizmalardaki metiyoninin CO2 salınımıyla enzim tarafından metiyonala dönüştürüldüğü düşüncesine dayanarak, bu süreci tersine çevirmeye çalıştık” diye açıklıyor. “Çünkü çoğu kimyasal reaksiyon prensipte uygun enerji ve basınç kullanımı ile tersinirdir” diyor. Skerra bu düşünceyle teklif çağrısına katıldı. Evonik bu fikri ödüllendirdi ve projeyi destekledi.
Doktora sonrası araştırmacısı Lukas Eisoldt tarafından desteklenen Skerra, üretim sürecinin parametrelerini belirlemeye ve gerekli biyokatalizörleri (enzimleri) üretmeye başladı. Bilim insanları, ilk deneyleri gerçekleştirerek biyokatalitik bir süreçte metiyonaldan metiyonin üretmek için ihtiyaç duyulan CO2 basıncı belirlediler. Beklenmedik bir şekilde, nispeten daha düşük bir basınçta yüksek bir verim ortaya çıkmıştır (kullanılan basınç, bir araba lastiğindeki basınç ile ile aynıdır ~2 bar). Bir yıl sonrasında elde ettiği başarılara dayanarak Evonik, finansmanı genişletti ve şimdi, doktora öğrencisi Julia Martin tarafından desteklenen bir ekip, reaksiyonun biyokimyasal arka planını araştırdı ve protein mühendisliği biliminden yararlanarak ilgili enzimleri optimize etti.
Fotosentezden daha verimli
Birkaç yıllık çalışmadan sonra, reaksiyonun sadece laboratuvar ölçeğinde yüzde 40’lık bir verim ile geliştirmesiyle kalınmadı, aynı zamanda biyokimyasal süreçlerin teorik altyapısı aydınlatıldı. Arne Skerra, “CO2’in biyomoleküllere biyokimyasal bir yapı taşı olarak katıldığı karmaşık fotosentez ile kıyaslandığında, bizim sürecimiz son derece zekice ve basit. Yöntemimiz sadece iki enzim gerektirirken; fotosentez, 14 enzim kullanır ve sadece yüzde 20’lik bir verime sahiptir” diyor.
Gelecekte, bu yeni biyokatalitik reaksiyonun temel prensibi, farmasötikler için diğer değerli amino asitlerin veya başlatıcıların endüstriyel üretimi için bir model olabilir. Bu arada, Profesör Skerra’nın ekibi, şu an patent alma sürecinde olan reaksiyonu büyük ölçekli uygulamalarda kullanabilmek için protein mühendisliği bilimini kullanarak geliştirmektedir.
Bu, başlatıcı kimyasal olarak CO2 gazının kullanıldığı ilk biyoteknolojik üretim prosesi olabilir. Şimdiye kadar, iklim değişikliğine büyük etkisi olan sera gazının geri dönüşüm girişimleri, gereken aşırı yüksek enerji nedeniyle başarısız oldu.
Daha fazla bilgi için: Julia Martin ve ark., Fixation of gaseous CO2 by reversing a decarboxylase for the biocatalytic synthesis of the essential amino acid l-methionine, Nature Catalysis (2018).DOI: 10.1038/s41929-018-0107-4
Kaynak: phys.org
