Z čistého vzduchu Ako sa oxid uhličitý stáva katalýzou surovinou pre aminokyseliny
Je to starý sen o chémii: Vezmite prebytočný oxid uhličitý z atmosféry a premeňte ho na vysoko kvalitné látky. Je za tým myšlienka rafinácie netoxického a ľahko dostupného skleníkového plynu jeho začlenením do inej molekuly. Jednou z takýchto snových reakcií je premena metánu s oxidom uhličitým na kyselinu octovú. Zatiaľ sa to však nerealizovalo, a preto stále patrí do ríše snov. Pretože recyklácia oxidu uhličitého je zvyčajne spojená s vysokými výdajmi energie. K tomuto cieľu môže viesť iba vývoj sofistikovaných katalyzátorových systémov.
V neposlednom rade z tohto dôvodu existuje už asi desať rokov intenzívna činnosť v oblasti výskumu katalyzátorov a podľa toho napredujú „snové reakcie“. Napríklad polyuretán, základný materiál pre matracovú penu, je teraz možné vyrobiť v priemyselnom meradle pridaním CO₂. Teraz skupina chemikov z Technickej univerzity v Mníchove syntetizovala ďalšiu dôležitú látku pridaním oxidu uhličitého. Julia Martin, Lukas Eisoldt a Arne Skerra uspeli vo výrobe aminokyseliny metionín pomocou enzýmov. Tento proteínový stavebný blok sa používa vo veľkom množstve, najmä pri výkrme zvierat.
Na začiatku bola reklama
Traja chemici použili ako východiskovú látku látku metionál, prírodný produkt rozkladu metionínu. Predtým sa verilo, že reakcia, pri ktorej sa metionín premieňa na metionál s uvoľňovaním CO2, nie je tak ľahko reverzibilná. Spravidla to vyžaduje vysoký tlak a teplotu. Mníchovskí chemici však našli jednoduchší spôsob: Identifikovali dva enzýmy, ktoré po kombinácii produkujú veľké množstvo aminokyselín z metionálneho a plynného oxidu uhličitého pri tlaku iba dvoch barov. Po optimalizácii biokatalyzátorov boli vedci spoločnosti Skerra dokonca schopní dosiahnuť výťažky až 40 percent, ako píšu v časopise „Nature Catalysis“.
Pokusy sa spočiatku uskutočňovali v malom laboratórnom autokláve. Postup bol pomerne jednoduchý: Všetky reakčné zložky sa naliali do tlakovej nádoby a nechali sa tam stáť najviac dva dni. Ako ukázali podrobné štúdie, enzým dekarboxyláza spočiatku robí svoju prácu a viaže skupinu CO₂ na metionál. V druhom kroku sa potom aminoskupina prenesie iným vhodným enzýmom. Výsledkom je aminokyselina metionín.
Séria testov sa začala výberovým konaním od chemickej spoločnosti Evonik, jedného z najväčších výrobcov metionínu. Táto látka je jednou z ôsmich aminokyselín nevyhnutných pre ľudí a vo veľkom rozsahu sa používa pri výkrme zvierat, pretože hydina a ošípané lepšie využívajú svoje krmivo prostredníctvom svojho pridávania. Ročná produkcia metionínu je desať miliónov ton. Aminokyselina sa vyrába v priemyselnom meradle v šesťstupňovom procese, pri ktorom sa používa kyanovodík - tiež známy ako vysoko toxický kyanovodík -.
Pri hľadaní bezpečnejšieho výrobného procesu oslovil Evonik pred piatimi rokmi nemecké univerzity. Bolo vybraných niekoľko návrhov, vrátane návrhov mníchovských chemikov. Arne Skerra a jeho kolegovia dokázali preukázať prvé úspechy v spolupráci, takže ich výskumný projekt bol odvtedy financovaný.
Vysoký výnos aj napriek miernym podmienkam
Príroda je vždy veľkým vzorom, pokiaľ ide o stanovenie CO₂. Počas fotosyntézy - poháňanej svetelnou energiou - je oxid uhličitý absorbovaný zelenými rastlinami a zabudovaný do organických zlúčenín. Na fixácii CO₂ je však zapojených celkom 14 enzýmov a výťažok je iba 20 percent. Skerra a jeho kolegovia môžu svojím procesom preukázať lepšie výsledky.
V minulosti sa vyskytlo niekoľko pokusov o fixáciu oxidu uhličitého biokatalyticky. Toto sa však uskutočňovalo pomocou superkritického oxidu uhličitého, ktorý spôsoboval extrémne vysoké tlaky, alebo pomocou roztokov obsahujúcich uhličitany, ktoré boli vysoko alkalické a teda vysoko korozívne. Mníchovskí vedci naproti tomu používajú plynný CO₂ za miernych tlakových podmienok a s takmer neutrálnym stupňom kyslosti.
Okrem metionínu je možné pomocou tohto procesu biokatalyticky vyrábať aj ďalšie aminokyseliny. Chemici boli schopní získať leucín a izoleucín z 3-metylbutanalu, respektíve 2-methybutanalu. Ďalšie zdokonalenie enzýmov by malo v budúcnosti umožniť výrobu vo veľkom meradle. V budúcom roku zaháji spoločnosť Evonik nový závod na výrobu metionínu v Singapure s ročnou kapacitou 150 000 ton - reakcia mníchovských snov sa tam však zatiaľ nepoužíva.