Biokatalysator-gesteuerte Carboxylierung unter milden Bedingungen

Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung für die Umwandlung von Kohlendioxid in Carbonsäuren haben in letzter Zeit Aufmerksamkeit erregt. Forscher der Tokyo Tech demonstrierten kürzlich eine biokatalysierte Carboxylierungsreaktion nicht nur des natürlichen Substrats Pyruvat, sondern auch eines unnatürlichen Substrats, 2-Ketoglutarat, unter Verwendung von NADP aus Thermoplasma acidophilum.⁺– Apfelsäureenzym unter milden Reaktionsbedingungen. Die vorgeschlagene Strategie kann für die selektive Synthese durch Kohlendioxid-Fixierungsreaktionen maßgeschneidert werden.

Das Entfernen des überschüssigen Kohlendioxids (CO₂) aus der Umwelt ist nicht das Endziel des Dekarbonisierungsprozesses, der notwendig ist, um die Auswirkungen der durch das Treibhausgas verursachten globalen Erwärmung zu verringern. Vielmehr gewinnen neuartige Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU) im laufenden Jahrzehnt als wirksame Methode zur Entfernung von CO an Popularität.₂ aus der Umwelt und wandeln sie in etwas Wertvolles um, beispielsweise kommerziell genutzte Chemikalien wie Carbonsäuren.

Die Stabilität von CO₂ macht es reaktionsträge und damit zu einem schwierigen Ausgangsstoff für die Carbonsäureproduktion. Daher erfordert das resultierende Carboxylierungsverfahren reaktive Reagenzien sowie hohe Temperatur- und Druckbedingungen, die die Energiekosten und die Nachhaltigkeit des Prozesses erheblich beeinflussen.

Um diese Probleme zu überwinden, erforschten die Forscher Associate Professor Tomoko Matsuda und Masterstudent Yuri Oku, beide von der Abteilung für Biowissenschaften und Technologie am Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), den Einsatz von Biokatalysatoren für CO₂ Fixierungsreaktionen.

Die Ergebnisse ihrer Studie wurden online veröffentlicht in JACS Au am 13. Mai 2024. Die Forscher untersuchten und führten eine Carboxylierungsreaktion unter milden Bedingungen in Gegenwart des Biokatalysators Thermoplasma acidophilum NADP durch⁺– Äpfelsäureenzym (TaME) und gasförmiges CO₂ über die Kopplung enzymatischer Coenzym-Regeneration.

Mit der vorgeschlagenen Strategie gelang die Carboxylierungsreaktion nicht nur des natürlichen Substrats Pyruvat, sondern auch des unnatürlichen Substrats 2-Ketoglutarat.

„Das Ziel unserer Studie war die Entwicklung einer TaME-katalysierten Carboxylierungsreaktion unter ausschließlicher Verwendung von gasförmigem CO₂ als CO₂ Quelle und um die Substratspezifität von TaME für die Carboxylierung zu erweitern“, sagte Matsuda. Für die Carboxylierungsreaktion wählten die Forscher TaME als Enzym in der Hoffnung auf Robustheit und einfache Handhabung, ähnlich wie bei anderen Enzymen von T. acidophilum, von denen ebenfalls berichtet wurde, dass sie hohe thermische und CO₂-Druckstabilitäten.

Zur Carboxylierung von Pyruvat wurde es mit TaME und dem Coenzym NADPH unter einem CO-Druck von 0,1 MPa behandelt.₂. Dies führte jedoch zu einer relativ geringeren Ausbeute. Um dieses Problem zu lösen, fügten die Forscher zwei neue Co-Faktoren hinzu, nämlich TaGDH (GDH: Glucose-Dehydrogenase) und D-Glucose, was zu einer 18-fachen Steigerung der Ausbeute führte. Sie untersuchten auch die Auswirkungen von CO₂ Druck, pH-Wert und Substratkonzentration auf die Carboxylierungsreaktion.

Darüber hinaus führten sie erfolgreich eine reduktive Carboxylierung des unnatürlichen Substrats 2-Ketoglutarat zum entsprechenden Produkt Isocitrat durch gasförmiges CO durch.₂TaME und TaGDH und D-Glucose.

Die in dieser Studie vorgeschlagene biokatalysatorbasierte Strategie führte zur erfolgreichen Carboxylierung des natürlichen Substrats Pyruvat und des unnatürlichen Substrats 2-Ketoglutarat unter milden Temperatur- (37 °C) und Druckbedingungen (0,1 MPa CO₂), wodurch der Energieaufwand gesenkt und die Nachhaltigkeit des gesamten CCU-Prozesses erhöht wird. Der effektive Einsatz von TaME hat neue Wege für die selektive Synthese breiterer Carboxylierungsprodukte unter Verwendung sichererer und umweltfreundlicherer Reagenzien anstelle aggressiver Chemikalien eröffnet.

„Wir glauben, dass unsere vorgeschlagene Methode so überarbeitet werden kann, dass eine breite Palette selektiver Carboxylierungsreaktionen unter Verwendung erneuerbarer Ressourcen, unter milderen Reaktionsbedingungen und mit weniger unerwünschten Nebenprodukten und Abfällen durchgeführt werden kann, wodurch die Möglichkeit der Biokatalyse zur Verwendung von Kohlendioxid als Ausgangsmaterial eröffnet wird“, schließt Matsuda.