Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung zur Umwandlung von Kohlendioxid in Carbonsäuren haben in letzter Zeit Aufmerksamkeit erregt. Forscher von Tokyo Tech demonstrierten kürzlich eine biokatalysierte Carboxylierungsreaktion nicht nur des natürlichen Substrats Pyruvat, sondern auch des unnatürlichen Substrats 2-Ketoglutarat unter Verwendung des NADP+-Äpfelsäureenzyms aus Thermoplasma acidophilum unter milden Reaktionsbedingungen. Die vorgeschlagene Strategie kann für die selektive Synthese durch Kohlendioxidfixierungsreaktionen maßgeschneidert werden.
Die Entfernung 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 reduzieren. Vielmehr gewinnen neuartige Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (Carbon Capture and Utilization, CCU) im aktuellen Jahrzehnt als wirksame Methode zur Entfernung von CO2 aus der Umwelt und zur Umwandlung in etwas Wertvolles, beispielsweise kommerziell genutzte Chemikalien wie Carbonsäuren, an Popularität.
Aufgrund seiner Stabilität ist CO2 jedoch nicht reaktiv und daher ein schwieriger 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 Fakultät 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+-Malic Enzyme (TaME) und gasförmigem CO2 durch, und zwar mittels gekoppelter enzymatischer Coenzymregeneration.
Mit der vorgeschlagenen Strategie gelang die Carboxylierungsreaktion nicht nur des natürlichen Substrats Pyruvat, sondern auch des unnatürlichen Substrats 2-Ketoglutarat.
„Ziel unserer Studie war es, eine TaME-katalysierte Carboxylierungsreaktion zu entwickeln, bei der ausschließlich gasförmiges CO2 als CO2-Quelle verwendet wird, und 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 eine hohe thermische und CO2-Druckstabilität berichtet wurde.
Zur Carboxylierung von Pyruvat wurde es mit TaME und dem Coenzym NADPH unter 0,1 MPa CO2-Druck behandelt. Dies führte jedoch zu einer relativ geringeren Ausbeute. Um dieses Problem zu lösen, fügten die Forscher zwei neue Cofaktoren 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 nichtnatürlichen Substrats 2-Ketoglutarat zum entsprechenden Produkt Isocitrat mit gasförmigem CO2, TaME sowie TaGDH und D-Glucose durch.
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 wurde. 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.
Mehr Informationen:
Yuri Oku et al., Substratproskuität des Malatenzyms aus Thermoplasma acidophilum für die CO2-Fixierungsreaktion, JACS Au (2024). DOI: 10.1021/jacsau.4c00290