ERC Advanced Grant voor chemische droomreacties met enzymen

Een van de grote maatschappelijke uitdagingen van nu is dat de chemische industrie nog altijd aanzienlijke hoeveelheden energie en grondstoffen verbruikt. “Dit is een wereldwijd probleem van de meeste, zo niet alle chemische stoffen die fabrieken nu produceren”, aldus onderzoeker Frank Hollmann. Hij heeft een ERC Advanced Grant van 2,5 miljoen euro van de Europese Unie gekregen om dit probleem in de komende vijf jaar aan te pakken, door enzymen als katalysator voor chemische reacties te ontwikkelen.

Frank Hollmann richt zich op niets minder dan het ontwerpen van baanbrekende enzymen als katalysatoren. Hij zal zogeheten PeroxyZymes ontwikkelen, die in staat zijn chemische droomreacties te katalyseren die momenteel te complex zijn en daarmee niet haalbaar voor de chemische industrie. “We willen enzymen leveren die bedrijven kunnen gebruiken om bulkchemicaliën op een rendabele manier te produceren, terwijl de ecologische voetafdruk aanzienlijk wordt verkleind”, zegt hij. “We hebben het over een breed scala aan chemische stoffen voor producten die erg belangrijk zijn voor ons dagelijks leven, van de coating van een tafel tot textiel, geur- en smaakstoffen en geneesmiddelen.”

Droomreacties

De enzymen die Hollmann wil aanpassen, komen voor in de cellen van microben, planten en ook ons eigen lichaam. “De reactie die deze enzymen katalyseren heet oxidatie, wat wil zeggen dat het enzym een zuurstofatoom aan een organisch molecuul toevoegt’’, legt Hollmann uit. “Een voorbeeld van hoe dit enzym werkt vinden we in de lever, waar het enzym zuurstofatomen in gifstofmoleculen inbrengt, zodat die beter in water oplossen en uit het lichaam gespoeld kunnen worden.” Het complexe mechanisme van het enzym in de cel is echter niet op een praktische manier in een fabriek na te bootsen. Daarom wil hij deze ingewikkelde keten van reacties vervangen door maar één reactie met waterstofperoxide. Het ontwikkelde PeroxyZyme kan zo dezelfde chemische processen mogelijk maken als het originele enzym waarop het gebaseerd is, maar het proces is veel gemakkelijker te controleren.

De reden waarom Hollmann de oxidatiereacties die het PeroxyZyme katalyseert droomreacties noemt, is omdat het enzym zuurstofatomen heel precies in superingewikkelde moleculen kan plaatsen. Hollmann: “Het enzym kiest deze exacte reactieplaats uit veel andere plaatsen in het molecuul waar het zou kunnen reageren. Deze precisie zou niet mogelijk zijn met de methoden die we nu in de chemie beschikbaar hebben.”

Product in een fles

Nadat Hollmann samen met zijn collega’s van over de hele wereld het PeroxyZyme heeft ontwikkeld, is de volgende belangrijke stap om te kijken of ze het enzym op industriële schaal kunnen toepassen. “Nadat we het enzym hebben kunnen ontwerpen en begrijpen, komen we op een punt waar de meeste academische projecten doorgaans ophouden”, zegt Hollmann. “We doen de reacties op heel kleine schaal, maar wat een chemicus wil is een product in een fles.” 

Hollmann hoopt dat andere onderzoekers zijn benadering zullen gebruiken om andere enzymen te ontwikkelen, omdat ze maar een paar enzymklassen kunnen aanpakken uit de vele mogelijkheden voor relevante chemische reacties via enzymen. “We hopen een nieuw onderzoeksgebied te openen en dat er bedrijven zullen zijn die dit op een bepaald punt verder willen ontwikkelen”, zegt hij.

“De hoop is natuurlijk dat het PeroxyZyme-proces duurzamer zal zijn”, zegt Hollmann. “Als je kijkt naar de eenvoud ervan, is er reden om dat aan te nemen, maar we weten het pas zeker als we de berekeningen hebben gedaan. Op een later punt bekijken we de cijfers van hoeveel energie en middelen we erin gestopt hebben en hoeveel we eruit krijgen, en vergelijken we die met andere processen.”