Neues Verfahren nutzt Licht und Enzyme, um umweltfreundlichere Chemikalien herzustellen

Forschern am Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) ist ein bedeutender Durchbruch gelungen, der zu besseren, umweltfreundlicheren Agrarchemikalien und Alltagsprodukten führen könnte.

Mithilfe eines Prozesses, der natürliche Enzyme und Licht kombiniert, entwickelte das Team der University of Illinois at Urbana-Champaign eine umweltfreundliche Methode, um Fluor, einen wichtigen Zusatzstoff, präzise in Chemikalien zu mischen, die Olefine genannt werden, Kohlenwasserstoffe, die in einer breiten Palette von Produkten verwendet werden, von Reinigungsmitteln bis hin zu Kraftstoffen zu Medikamenten. Diese revolutionäre Methode bietet eine effektive neue Strategie zur Herstellung hochwertiger Chemikalien mit potenziellen Anwendungen in Agrochemikalien, Pharmazeutika, erneuerbaren Kraftstoffen und mehr.

Die Studie, veröffentlicht in Wissenschaft, Das Projekt wurde von CABBI Conversion Theme Lead Huimin Zhao geleitet, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik (ChBE), Biosystems Design Theme Lead am Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB) und Direktor des NSF Molecule Maker Lab Institute in Illinois ; und Hauptautor Maolin Li, ein Postdoktorand, der mit CABBI, ChBE und IGB verbunden ist.

Als Zusatzstoff kann Fluorid die Wirksamkeit und Haltbarkeit von Agrochemikalien und Medikamenten verbessern. Seine geringe Größe, seine elektronischen Eigenschaften und seine Fähigkeit, sich leicht in Fetten und Ölen aufzulösen, haben einen tiefgreifenden Einfluss auf die Funktion organischer Moleküle und erhöhen deren Absorption, Stoffwechselstabilität und Wechselwirkungen mit Proteinen. Allerdings ist die Zugabe von Fluorid schwierig und erfordert meist komplexe chemische Prozesse, die nicht immer umweltfreundlich sind.

Die Wissenschaftler dieser Studie verwendeten ein „Photoenzym“ – ein umfunktioniertes Enzym, das unter Licht arbeitet – um dabei zu helfen, Fluorid in diese Chemikalien einzuführen. Mithilfe von Licht und Photoenzymen gelang es ihnen, Fluor präzise an Olefine zu binden und dabei genau zu kontrollieren, wo und wie es hinzugefügt wird. Da diese Methode nicht nur umweltfreundlich, sondern auch sehr spezifisch ist, können nützliche neue Verbindungen effizienter hergestellt werden, die zuvor nur schwer herzustellen waren.

Dieser Ansatz füllt eine wichtige Lücke in der Molekularchemie, da bisherige Methoden zur Zugabe von Fluor begrenzt und ineffizient waren. Es eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Entwicklung besserer Medikamente und landwirtschaftlicher Produkte, da fluorierte Verbindungen häufig wirksamer, stabiler und langlebiger sind als ihre nicht fluorierten Gegenstücke. Das bedeutet, dass Düngemittel und Herbizide möglicherweise wirksamer beim Pflanzenschutz sind und Medikamente möglicherweise wirksamer sind oder weniger Nebenwirkungen haben.

„Dieser Fortschritt stellt eine bedeutende Änderung in unserem Ansatz zur Synthese fluorierter Verbindungen dar, die für viele Anwendungen von der Medizin bis zur Landwirtschaft unerlässlich sind“, sagte Zhao. „Durch die Nutzung der Kraft lichtaktivierter Enzyme 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, ein Sieg nicht nur für die Wissenschaft, sondern für die Gesellschaft insgesamt. »

Die Forschung treibt die Bioenergie-Mission von CABBI voran, indem innovative Methoden in der Biokatalyse entwickelt werden, die die Produktion biobasierter Chemikalien verbessern können, d. h. solcher, die aus erneuerbaren Ressourcen wie Pflanzen oder Mikroorganismen statt aus Öl gewonnen werden. Die Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer biochemischer Prozesse ist Teil des Wunsches von CABBI, nachhaltige Bioenergielösungen zu schaffen, die die Umweltbelastung minimieren und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern.

Diese Studie trägt auch zur umfassenderen Mission des US-Energieministeriums (DOE) bei, Fortschritte bei Bioenergie und Bioprodukten zu fördern. Die in dieser Studie entwickelten Methoden können zu industrielleren Prozessen führen, die nachhaltiger und weniger energieintensiv sind, chemische Abfälle und Umweltverschmutzung reduzieren und so die Ziele des DOE zur Förderung sauberer Energietechnologien unterstützen. Die Fähigkeit, hochwertige fluorierte Verbindungen effizient herzustellen, könnte zu Verbesserungen in einer Vielzahl von Bereichen führen, darunter erneuerbare Energiequellen und Bioprodukte, die Wirtschaftswachstum und ökologische Nachhaltigkeit unterstützen.

„Unsere Forschung eröffnet faszinierende Perspektiven für die Zukunft der pharmazeutischen und agrochemischen Entwicklung“, sagte Li. „Durch die Integration von Fluor in organische Moleküle durch einen photoenzymatischen Prozess verbessern wir nicht nur die vorteilhaften Eigenschaften dieser Verbindungen, sondern wir tun auch Dinge in einer.“ umweltfreundlichere Art und Weise. Es ist spannend, über die möglichen Anwendungen unserer Arbeit nachzudenken, um effizientere und langlebigere Produkte für den täglichen Gebrauch zu schaffen. »

Die CABBI-Forscher Yujie Yuan, Wesley Harrison und Zhengyi Zhang von ChBE und IGB aus Illinois waren Mitautoren dieser Studie.