Forschern am Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) ist ein bedeutender Durchbruch gelungen, der zu besseren – und umweltfreundlicheren – Agrarchemikalien und Alltagsprodukten führen könnte.
Mithilfe eines Verfahrens, das natürliche Enzyme und Licht kombiniert, entwickelte das Team der University of Illinois Urbana-Champaign eine umweltfreundliche Methode, Fluor, einen wichtigen Zusatzstoff, präzise in Chemikalien, sogenannte Olefine, einzumischen – Kohlenwasserstoffe, die in einer Vielzahl von Produkten verwendet werden, von Reinigungsmitteln über Kraftstoffe bis hin zu Medikamenten. Diese bahnbrechende Methode bietet eine effiziente neue Strategie zur Herstellung hochwertiger Chemikalien mit potenziellen Anwendungen in Agrochemikalien, Pharmazeutika, erneuerbaren Kraftstoffen und mehr.
Die Studie wurde im Wissenschaft, wurde geleitet von Huimin Zhao, Leiter des CABBI-Konvertierungsthemas, Professor für chemische und biomolekulare Technik (ChBE), Leiter des Themas Biosystemdesign am Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB) und Direktor des NSF Molecule Maker Lab Institute in Illinois, und Hauptautor Maolin Li, einem Postdoktoranden bei CABBI, ChBE und IGB.
Als Zusatzstoff kann Fluor die Wirkung und Haltbarkeit von Agrochemikalien und Medikamenten verbessern. Seine geringe Größe, seine elektronischen Eigenschaften und seine Fähigkeit, sich leicht in Fetten und Ölen aufzulösen, haben alle einen tiefgreifenden Einfluss auf die Funktion organischer Moleküle und verbessern deren Absorption, Stoffwechselstabilität und Proteininteraktionen. Die Zugabe von Fluor ist jedoch schwierig und erfordert in der Regel komplexe chemische Prozesse, die nicht immer umweltfreundlich sind.
Die Wissenschaftler dieser Studie verwendeten ein „Photoenzym“ – ein umfunktioniertes Enzym, das unter Licht arbeitet – um Fluor in diese Chemikalien einzubringen. Durch die Verwendung von Licht und Photoenzymen konnten sie Fluor präzise an Olefine anhängen und dabei genau kontrollieren, wo und wie es hinzugefügt wird. Da diese Methode nicht nur umweltfreundlich, sondern auch sehr spezifisch ist, ermöglicht sie eine effizientere Herstellung nützlicher neuer Verbindungen, die zuvor nur schwer herzustellen waren.
Dieser Ansatz füllt eine große Lücke in der Molekularchemie, da bisherige Methoden zur Zugabe von Fluor nur begrenzt und ineffizient waren. Er eröffnet zudem neue Möglichkeiten für die Entwicklung besserer Medikamente und landwirtschaftlicher Produkte, da fluorierte Verbindungen oft wirksamer, stabiler und langlebiger sind als ihre nicht fluorierten Gegenstücke. Das bedeutet, dass Düngemittel und Herbizide Nutzpflanzen wirksamer schützen und Medikamente wirksamer sein oder weniger Nebenwirkungen haben könnten.
„Dieser Durchbruch stellt einen bedeutenden Wandel in unserer Herangehensweise an die Synthese fluorierter Verbindungen dar, die für zahlreiche Anwendungen von der Medizin bis zur Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung sind“, sagte Zhao. „Indem wir die Kraft lichtaktivierter Enzyme nutzen, haben wir eine Methode entwickelt, die die Effizienz dieser Synthesen verbessert und mit der ökologischen Nachhaltigkeit in Einklang steht. Diese Arbeit könnte den Weg für neue, umweltfreundlichere Technologien in der chemischen Produktion ebnen, was nicht nur für die Wissenschaft, sondern für die Gesellschaft als Ganzes ein Gewinn ist.“
Die Forschung fördert CABBIs Bioenergie-Mission, indem sie innovative Methoden in der Biokatalyse entwickelt, die die Produktion biobasierter Chemikalien verbessern können – Chemikalien, die aus erneuerbaren Ressourcen wie Pflanzen oder Mikroorganismen statt aus Erdöl gewonnen werden. Die Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer biochemischer Prozesse steht im Einklang mit CABBIs Fokus auf die Schaffung nachhaltiger Bioenergielösungen, die die Umweltbelastung minimieren und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern.
Es trägt auch zur umfassenderen Mission des US-Energieministeriums (DOE) bei, Fortschritte bei Bioenergie und Bioprodukten voranzutreiben. Die in dieser Studie entwickelten Methoden können zu nachhaltigeren industriellen Prozessen führen, die weniger energieintensiv sind und chemische Abfälle und Umweltverschmutzung reduzieren, was die Ziele des DOE unterstützt, saubere Energietechnologien zu fördern. Die Fähigkeit, hochwertige fluorierte Verbindungen effizient herzustellen, könnte zu Verbesserungen in verschiedenen Bereichen führen, darunter erneuerbare Energiequellen und Bioprodukte, die das Wirtschaftswachstum und die ökologische Nachhaltigkeit unterstützen.
„Unsere Forschung eröffnet faszinierende Möglichkeiten für die Zukunft der pharmazeutischen und agrochemischen Entwicklung“, sagte Li. „Indem wir Fluor durch einen photoenzymatischen Prozess in organische Moleküle integrieren, verbessern wir nicht nur die vorteilhaften Eigenschaften dieser Verbindungen, sondern tun dies auch auf eine umweltfreundlichere Weise. Es ist spannend, über die potenziellen Anwendungen unserer Arbeit bei der Schaffung wirksamerer und nachhaltigerer Produkte für den alltäglichen Gebrauch nachzudenken.“
Die CABBI-Forscher Yujie Yuan, Wesley Harrison und Zhengyi Zhang von ChBE und IGB in Illinois waren Co-Autoren dieser Studie.
Mehr Informationen:
Maolin Li et al, Asymmetrische photoenzymatische Eingliederung fluorierter Motive in Olefine, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.adk8464