Hindistan Bilim Enstitüsü’ndeki (IISc) araştırmacılar, yağ asitlerini 1-alkenlere, yani “düşük” biyoyakıt, polimer hammadde veya farmasötik öncü olarak hizmet edebilen çok yönlü hidrokarbonlara dönüştüren yüksek verimli hücre içermeyen bir enzim sistemi geliştirdiler.
Çalışma dergide yayınlandı ACS Merkezi Bilim.
Ekip, UndB adı verilen zara bağlı bir bakteriyel enzimden yararlandı ve enzim mühendisliği, ortak substrat geri dönüşümü ve moleküler simülasyon destekli yeniden tasarım kullanarak performansını geliştirdi.
IISc’nin İnorganik ve Fiziksel Kimya Bölümü’nde (IPC) ilgili yazar ve Doçent olan Debasis Das, “Amacımız, bu gerçekten ilginç metaloenzimleri kullanarak hidrokarbonların biyoüretimini yapmaktır” diyor.
“Bu enzimlerin kataliz açısından sahip olduğu büyüleyici kimyayı anlamak ve ayrıca hidrokarbon üretimi için güçlü özelliklerinden yararlanmak istiyoruz.”
Ekip daha önce UndB’yi katalaz adı verilen başka bir enzimle füzyon enzimi olarak ifade etmek için E. coli’yi kullanan bir tam hücreli biyosentetik sistemi göstermişti. Ancak bu yaklaşımın birkaç dezavantajı vardı: Optimum reaksiyon koşullarını sürdürmek zordu, büyük miktarlarda pahalı kofaktörler gerekliydi ve enzim, yüksek konsantrasyonlarda bakteri hücreleri için potansiyel olarak toksikti.
Ekip, bunu çözmek için UndB’yi, canlı hücrelere dayanmadan biyolojik reaksiyon ortamını taklit eden, kendi kendini idame ettirebilen, hücre içermeyen bir sisteme entegre etti. E. coli hücrelerini parçaladılar ve UndB içeren membran fraksiyonunu çıkardılar, ardından bunu katalaz, kofaktörler ve bir çift kofaktör geri dönüşüm enzimi içeren bir çözeltide birleştirdiler. Yağ asidi besleme stoğu daha sonra doğrudan bu hücre içermeyen reaksiyon karışımına eklenebilmektedir.
Das, “Hücresiz bir sistemin birçok avantajı vardır” diye açıklıyor. “Reaksiyonu daha iyi kontrol edebilir, sistemi daha kolay optimize edebilir ve tüm hücre biyokatalizörlerine eşlik eden düzenleyici zorluklardan kaçınabilirsiniz.”
Ekip, hücresel kısıtlamalardan ayrıştırarak, enzimin devir sayısında (katalitik performansın bir ölçüsü) 262 kat kayda değer bir artış ve önceki tüm hücre sistemine göre ~13 kat artış elde etti. Ayrıca pahalı kofaktörlerin tüketiminde büyük bir azalma ve minimum enzim konsantrasyonlarında bile neredeyse tamamen substrat dönüşümü (%98’e kadar verim) elde ettiler.
Gereken reaksiyon koşulları da ılımlıydı (ortam sıcaklığı ve nötr pH) ve hiçbir toksik yan ürün üretilmedi, bu da prosesi çevre dostu hale getirdi.
Ancak sistem, orta uzunluktaki yağ asitlerine kıyasla daha bol bulunan uzun zincirli yağ asitlerini işlemekte hala zorlanıyordu. Ekip, bakteri türleri genelinde UndB varyantlarını incelediğinde, farklı uzunluklardaki yağ asidi substratlarını tercih eden iki farklı sınıfın olduğunu keşfetti. Nedenini anlamak için moleküler dinamik simülasyonlarına yöneldiler.
Hesaplamalı analize öncülük eden IPC’de yardımcı yazar ve Yardımcı Doçent Abhishek Sirohiwal, “Hafif yapısal değişikliklerin, enzimin içindeki tünel boşluğunu modüle ettiğini ve böylece daha uzun zincirli yağ asitlerini barındırabildiğini bulduk” diyor.
Ekip, hedeflenen yapısal değişiklikleri (katalitik bölgeden uzaktaki sarmal bir bölgenin değiştirilmesi) uygulayarak, daha uzun yağ asitlerini verimli bir şekilde işleyebilen bir UndB versiyonunu tasarladı.
Ortak baş yazar ve doktora öğrencisi Subashini Murugan, “Enzim mühendisliği ve hesaplamalı çalışmalar bize substrat spesifikliğini belirleyen kalıntılar üzerinde bir fikir sahibi olmamızı sağladı” diyor. IPC’de öğrenci. Bu, önemli farmasötik ve biyomembran öncüleri olan 1-pentadesen gibi daha uzun 1-alkenlerin daha yüksek verimine yol açtı.
Yağ asitleri ucuzdur ve özellikle organik atıklarda bol miktarda bulunur; alkenlere dönüştürüldüğünde değerleri birkaç kat artar. Ekibin biyokatalitik platformu petrokimyasallardan senteze bir alternatif sunuyor.
Das, “Atık yağları yakıt olarak veya polimerler veya yağlayıcılar için yapı taşları olarak kullanılabilecek alkenlere dönüştürebilirsek hem çevresel hem de ekonomik faydalar elde ederiz” diyor.
Ekibe bu teknoloji için patent verildi ve büyük ölçekli üretim için endüstriyel işbirlikleri araştırılıyor.
