Je leest:

Multitaskend enzym helpt bij synthese van groen alternatief voor PET-fles

Multitaskend enzym helpt bij synthese van groen alternatief voor PET-fles

Drie reactiestappen op rij bij omzetting van suikers tot PEF-bioplastic

Auteur: | 28 mei 2014

Dat er veel suiker in cola zit weet iedereen wel. Minder bekend is dat je van dat suiker ook colaflesjes kunt maken. De kunststof PEF is een groen alternatief voor de plastic PET-fles en is gemaakt van suiker. Groningse biochemici hebben nu een enzym gevonden dat maar liefst drie stappen van die omzetting voor zijn rekening kan nemen.

Het is een heel bijzonder enzym, zegt biochemicus Marco Fraaije. Hij is hoogleraar Moleculaire Enzymologie bij het Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute. “We hebben lang gedacht dat enzymen heel specifiek zijn, en maar één reactie met één substraat uitvoeren. Dat beeld is inmiddels bijgesteld, maar om een enzym te vinden dat maar liefst drie reacties op rij kan uitvoeren met één substraat is tamelijk uniek.”

Het enzym, waaraan Fraaijes promovendus Willem Dijkman onderzoek deed, is onlangs beschreven in een artikel voor het tijdschrift Angewandte Chemie. “Het is een oxiderend enzym dat afkomstig is uit een bodembacterie”, vertelt Fraaije. Zijn groep is geïnteresseerd in dit enzym omdat het de stof HMF (hydroxymethylfurfural) kan oxideren. Het enzym is daarom HMFO (HMF Oxidase) gedoopt.

“HMF ontstaat uit suikers zoals glucose of fructose. Wanneer je glucose verhit wordt het deels omgezet in HMF.” Deze verbinding is dus aanwezig in de meeste bakproducten. Maar wat er nu zo interessant is aan HMF is dat je de stof kunt oxideren tot een andere verbinding met de naam FDCA – en dat is weer de bouwsteen het PEF bioplastic. Het PEF polymeer heeft vergelijkbare eigenschappen als het bekende PET, waar plastic limonadeflessen en fleece truien van zijn gemaakt.

Van boom tot colafles.
RUG | Science Linx

DNA databank

Het Nederlandse biotech bedrijf Corbion is geïnteresseerd in de biochemische processen waarmee PEF is te maken. “We werken aan dit proces in een consortium met verschillende partners”, zegt Fraaije. Zijn groep zocht daarbij specifiek naar een enzym dat HMF oxideert. “Er zijn niet veel enzymen die dat kunnen”, legt hij uit.

Prof.dr.ir. Marco Fraaije.
RUG

Een klein biotechnologie bedrijf dat onlangs is overgenomen door Corbion had een bacterie ontdekt die HMF als energiebron kan gebruiken. “Maar het lukte niet de genen voor de enzymen van die bacterie over te zetten naar een laboratoriumstam zoals E.coli, wat nodig is om ze in grote hoeveelheden te produceren.” Daarom ging Fraaije op zoek naar vergelijkbare genen in een grote digitale DNA databank.

“We vonden een stuk of tien kandidaten, en eentje daarvan bleek te zijn wat we zochten.” HMF oxiderende enzymen zijn zeldzaam, vermoedelijk omdat HMF niet voorkomt in de natuur. Het enzym waar de groep van Fraaije aan heeft gewerkt bleek zeer veelzijdig te zijn. “We keken in eerste instantie alleen naar de eerste stap in het proces van HMF naar FDCA. Maar tot onze verrassing zagen we dat ons enzym alle drie de stappen die nodig zijn kon uitvoeren.”

Biochemisch inzicht

De eerste stap is het oxideren van een alcoholgroep aan het HMF molecuul. Voor de tweede stap moet echter een aldehyde worden geoxideerd. “Ons enzym leek een alcohol oxidator, dus het was nogal een verrassing dat het ook een aldehyde kon oxideren.”

Een gedetailleerde studie van de reactiestap leverde een verklaring op. “Het blijkt dat de aldehyde groep gehydrateerd raakt, wat een gem-diol oplevert, en dat is een verbinding die hoort bij de alcoholen.” Wat niet wegneemt dat het indrukwekkend is om een enzym te vinden met het vermogen drie substraten te oxideren. En het bleek dat het zelfs een vierde reactie kan uitvoeren, wat vermoedelijk een nieuw record is voor een enzym.

Oxidatie van HMF.
RUG | Science Linx

Het doel van het onderzoeksprogramma was om meer inzicht te krijgen in het biochemische proces dat van suikers FDCA maakt met behulp van ‘natuurlijke’ reacties. “Je kunt het hele proces uitvoeren met gewone chemische technieken, maar dat vraagt om hoge druk en hoge temperatuur, wat een boel extra energie kost.” Het enzymatische proces speelt zich af bij gewone druk en temperatuur.

Te traag

Dus krijgen we nu colaflesjes van plastic gemaakt met het enzym dat Fraaije en zijn groep hebben beschreven? “Nee, vermoedelijk niet”, erkent hij. “Het proces dat wij beschrijven in ons artikel verloopt nog te traag.” Overigens waren Fraaije en zijn groep niet alleen geïnteresseerd in het project vanwege de flessen.

“Het onderzoek levert informatie op over de veelzijdigheid van enzymen en over het biochemische pad van suiker tot FDCA. We werken momenteel aan de opheldering van de 3D structuur van het enzym. Wanneer we die hebben, zullen we in staat zijn aanpassingen te ontwikkelen die het enzym efficiënter maken.” En wie weet wat dat nog gaat opleveren!

Artikel

Willem P. Dijkman, Daphne E. Groothuis and Prof. Dr. Marco W. Fraaije: Enzyme-Catalyzed Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural to Furan-2,5-dicarboxylic Acid. Angewandte Chemie, published online 6 May 2014. DOI: 10.1002/anie.201402904

Dit artikel is een publicatie van Science Linx, en hoort bij het thema Duurzaamheid vergroten op Biotechnologie.nl.
© Science Linx, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 mei 2014

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.