Naukowcy z Centrum Zaawansowanej Bioenergii i Innowacji w zakresie Bioproduktów (CABBI) osiągnęli przełomowy odkrycie, które może doprowadzić do stworzenia lepszych i bardziej ekologicznych środków chemicznych do stosowania w rolnictwie oraz produktów codziennego użytku.
Wykorzystując proces łączący naturalne enzymy i światło, zespół z University of Illinois Urbana-Champaign opracował przyjazny dla środowiska sposób precyzyjnego mieszania fluoru, ważnego dodatku, z chemikaliami zwanymi olefinami — węglowodorami stosowanymi w szerokiej gamie produktów, od detergentów po paliwa i leki. Ta przełomowa metoda oferuje wydajną nową strategię tworzenia chemikaliów o wysokiej wartości, które mogą znaleźć zastosowanie w agrochemikaliach, farmaceutykach, paliwach odnawialnych i innych.
Badanie opublikowane w Nauka, Pracami kierował Huimin Zhao, kierownik tematu konwersji CABBI, profesor inżynierii chemicznej i biomolekularnej (ChBE), kierownik tematu projektowania biosystemów w Instytucie Biologii Genomicznej im. Carla R. Woese’a (IGB) i dyrektor Instytutu NSF Molecule Maker Lab na Uniwersytecie Illinois; głównym autorem był Maolin Li, adiunkt badawczy w CABBI, ChBE i IGB.
Jako dodatek fluor może sprawić, że agrochemikalia i leki będą działać lepiej i dłużej. Jego niewielkie rozmiary, właściwości elektroniczne i zdolność do łatwego rozpuszczania się w tłuszczach i olejach mają głęboki wpływ na funkcjonowanie cząsteczek organicznych, zwiększając ich wchłanianie, stabilność metaboliczną i interakcje białkowe. Jednak dodawanie fluoru jest trudne i zwykle wymaga złożonych procesów chemicznych, które nie zawsze są przyjazne dla środowiska.
Naukowcy w tym badaniu użyli „fotoenzymu” – przerobionego enzymu, który działa pod wpływem światła – aby pomóc wprowadzić fluor do tych chemikaliów. Używając światła i fotoenzymów, byli w stanie precyzyjnie przyłączyć fluor do olefin, kontrolując dokładnie, gdzie i jak jest dodawany. Ponieważ ta metoda jest nie tylko przyjazna dla środowiska, ale również bardzo specyficzna, pozwala na bardziej wydajne tworzenie nowych, użytecznych związków, które wcześniej były trudne do wytworzenia.
To podejście wypełnia dużą lukę w chemii molekularnej, ponieważ poprzednie metody dodawania fluoru były ograniczone i nieefektywne. Otwiera również nowe możliwości tworzenia lepszych leków i produktów rolnych, ponieważ związki fluorowane są często skuteczniejsze, stabilniejsze i trwalsze niż ich niefluorowane odpowiedniki. Oznacza to, że nawozy i herbicydy mogą być skuteczniejsze w ochronie upraw, a leki mogą być silniejsze lub mieć mniej skutków ubocznych.
„To przełomowe odkrycie stanowi znaczącą zmianę w naszym podejściu do syntezy związków fluorowanych, kluczowych w licznych zastosowaniach od medycyny po rolnictwo” — powiedział Zhao. „Wykorzystując moc enzymów aktywowanych światłem, opracowaliśmy metodę, która zwiększa wydajność tych syntez i jest zgodna ze zrównoważonym rozwojem środowiska. Praca ta może utorować drogę nowym, bardziej ekologicznym technologiom w produkcji chemicznej, co jest zwycięstwem nie tylko dla nauki, ale dla całego społeczeństwa”.
Badania te rozwijają misję bioenergetyczną CABBI poprzez pionierskie innowacyjne metody w biokatalizie, które mogą zwiększyć produkcję biochemicznych substancji chemicznych – tych pochodzących z odnawialnych źródeł, takich jak rośliny lub mikroorganizmy, a nie z ropy naftowej. Rozwój bardziej wydajnych i przyjaznych dla środowiska procesów biochemicznych jest zgodny z naciskiem CABBI na tworzenie zrównoważonych rozwiązań bioenergetycznych, które minimalizują wpływ na środowisko i zmniejszają zależność od paliw kopalnych.
Przyczynia się również do szerszej misji Departamentu Energii USA (DOE) polegającej na napędzaniu postępu w bioenergii i bioproduktach. Metody opracowane w tym badaniu mogą prowadzić do bardziej zrównoważonych procesów przemysłowych, które są mniej energochłonne i zmniejszają ilość odpadów chemicznych i zanieczyszczeń, wspierając cele DOE w zakresie promowania technologii czystej energii. Możliwość wydajnego tworzenia związków fluorowanych o wysokiej wartości może prowadzić do udoskonaleń w różnych dziedzinach, w tym odnawialnych źródeł energii i bioproduktów, które wspierają wzrost gospodarczy i zrównoważony rozwój środowiska.
„Nasze badania otwierają fascynujące możliwości dla przyszłości rozwoju farmaceutycznego i agrochemicznego” — powiedział Li. „Integrując fluor z cząsteczkami organicznymi poprzez proces fotoenzymatyczny, nie tylko wzmacniamy korzystne właściwości tych związków, ale także robimy to w sposób bardziej odpowiedzialny dla środowiska. To ekscytujące myśleć o potencjalnych zastosowaniach naszej pracy w tworzeniu bardziej efektywnych i zrównoważonych produktów do codziennego użytku”.
Współautorami tego badania byli badacze CABBI Yujie Yuan, Wesley Harrison i Zhengyi Zhang z ChBE i IGB na Uniwersytecie Illinois.
