Профессор факультета биохимии в Мюнхенском техническом университете Арне Скерра впервые успешно использовал углекислый газ СО2 в качестве основного сырья для производства массового химического продукта в биотехнической реакции. Продукт этот — метионин, важная аминокислота, незаменимая в крупномасштабной индустрии кормов для животноводства. Новый ферментный процесс может вытеснить текущее нефтехимическое производство метионина. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Catalysis.

Процесс промышленного производства метионина из продуктов нефтехимии включает шесть этапов, и в нём среди прочих реагентов используется высокотоксичная синильная кислота. В 2013 году компания Evonik Industries, один из крупнейших производителей метионина, предложила университетским исследователям разработать новые, более безопасные способы его производства. Важно, что метионал, природный продукт распада метионина, образуется как промежуточный агент в обычной процесе производства метионина.

«Основываясь на том факте, что ферменты в микроорганизмах расщепляют метионин в метионал с выделением СО2, мы попробовали обратить этот процесс, — объясняет профессор Скерра, — так как любая химическая реакция в принципе обратима, хотя зачастую для этого требуется значительная энергия и высокое давление». С этой идеей он принял участие в предложении компании Evonik Industries, и получил поддержку для её разработки.

Скерра начал с определения параметров производственного процесса, а также условий для получения необходимых биокатализаторов (энзимов). В начальных экспериментах было определено давление СО2, требуемое для получения метионина из метионала в биокаталитическом процессе. Неожиданно, был получен высокий выход продукта даже при относительно низком давлении, около двух атмосфер — примерно как в колесе автомобиля. Основываясь на полученных результатах, уже через год Evonik Industries увеличили финансирование, и учёные взялись за исследование биохимической составляющей реакции и оптимизацию энзимов методами белковой инженерии.

Эффективнее фотосинтеза

Несколько лет работы позволили не только улучшить реакцию на лабораторном уровне, увеличив выход на 40 процентов, но и прояснить теоретические основы происходящих биохимических процессов. «По сравнению со сложным фотосинтезом, в ходе которого природа биокаталитически встраивает СО2 в биологические молекулы как строительные блоки, наш процесс элегантен и прост, — рассказывает Арне Скерра. — В фотосинтезе участвуют 14 энзимов, и его выход всего 20 процентов, тогда как нашему методу требуются всего два энзима».

В будущем, базовый принцип этой новой биокаталитической реакции может послужить моделью для промышленного производства других ценных аминокислот или реагентов для фармацевтики. Между тем группа профессора Скерра будет совершенствовать процесс, используя методы белковой инженерии, чтобы сделать его пригодным для крупномасштабного применения.

Это, по-видимому, первый случай, когда в биотехнологическом производственном процессе СО2 используется как исходный химический материал. До сих пор попытки использовать СО2, являющийся основным фактором изменений климата, терпели неудачу из-за больших затрат энергии.