¿Cómo se puede lograr que los procesos químicos para la producción de productos químicos comunes sean más sostenibles, ecológicos y económicos que antes? Por ejemplo, sin altas temperaturas y sin disolventes orgánicos? El Instituto Leibniz de Catálisis en Rostock ha encontrado una respuesta para la reacción industrialmente significativa de la hidroformación. El instituto utiliza una enzima estructuralmente modificada que controla catalíticamente la producción de aldehídos, importantes productos químicos básicos, en condiciones de reacción suaves. Esta investigación básica se lleva a cabo en el marco del Campus Científico Leibniz ComBioCat.
Las enzimas son biocatalizadores que descomponen los componentes de los alimentos en los organismos para su óptima utilización. Esto ocurre de forma altamente selectiva, así como a temperatura corporal y bajo presión normal. A los investigadores también les gustaría ver condiciones de reacción tan suaves en lugar de procesos químicos severos, que en muchos casos todavía determinan la química hoy en día.
Su objetivo es la "química verde", y los cimientos para ello se están sentando actualmente en laboratorios de todo el mundo. Con el proyecto ComBioCat, financiado por la Asociación Leibniz con 1,13 millones de euros durante cuatro años, el químico LIKAT Prof. Dr. Paul Kamer (1960 - 2020) trajo un exclusivo campus científico al noreste.
El campus combinará la experiencia de todas las disciplinas catalíticas para desarrollar biocatalizadores y también quimiocatalizadores para la producción de polímeros, ingredientes médicos activos y otros productos químicos básicos y finos. "Su uso reduciría significativamente el esfuerzo y los costos de los procesos químicos y ahorraría recursos", dice el estudiante de doctorado Jan-Ole Moritz, que está haciendo su doctorado en el LIKAT sobre la reacción catalítica de los alquenos a los aldehídos.
Los aldehídos se utilizan a gran escala en disolventes y conservantes, entre otras cosas, y como materiales básicos en la industria cosmética. En el laboratorio Jan-Ole Moritz toma como material de partida 1 octeno, un alqueno casi insoluble en agua, que reacciona en solución acuosa con monóxido de carbono e hidrógeno para formar aldehídos. Industrialmente, esto se hace utilizando un catalizador metálico a una presión de hasta 100 bares y temperaturas de hasta 100 grados centígrados, así como un disolvente orgánico. En Jan-Ole Moritz, una enzima realiza la tarea del catalizador en condiciones mucho más suaves.
El químico ha diseñado genéticamente la enzima con puntos de anclaje a los que el componente catalítico puede acoplarse: un metal soportado por ligandos de fósforo, el centro activo del catalizador. Los químicos se refieren a esta reacción combinada de moléculas bio- y químicas clásicas para formar un complejo artificial de metal-enzima como bioconjugación. "Las propiedades químicas del centro de metal aseguran la actividad del complejo. La naturaleza proteínica de la enzima causa la alta selectividad", dice Jan-Ole Moritz.
También explica lo que esto significa: "Una de las propiedades especiales de la enzima es su estructura de túnel, por ejemplo. Esto facilita la preclasificación de las moléculas de partida, por así decirlo". El túnel fuerza a las moléculas de alqueno a una cierta posición con la que entran en la reacción. Esto hace que el proceso sea tan selectivo porque el producto final se crea exactamente en la disposición lineal deseada.
La estructura del túnel también ayuda a Moritz, estudiante de doctorado, a extender el límite de la reacción. En la hidroformación, los materiales de partida se disuelven en agua. Sólo los alquenos de cadena corta con un máximo de tres o cuatro átomos de carbono en la molécula son adecuados para esto. Cuantos más átomos de carbono contengan los alquenos, más amantes de la grasa se vuelven, y por lo tanto también más repelentes al agua. Por lo tanto, son inútiles para la hidroformación: no se disuelven. Sin embargo, a través del túnel del complejo metal-enzimático, las moléculas de cadena larga con diez o doce átomos de carbono también pueden ser atraídas hacia la solución acuosa donde reaccionan con apoyo catalítico.
Para su trabajo, Jan-Ole Moritz, que hasta ahora se ha sentido principalmente a gusto en la química clásica del fósforo, ha adquirido técnicas más típicas para los biólogos: la creación de cultivos celulares para la producción de proteínas y su cosecha, la modificación genética y la purificación, el trabajo estéril de acuerdo con los requisitos legales de la Ordenanza de Protección de la Ingeniería Genética. El LIKAT creó un laboratorio de seguridad especialmente para esta investigación.
Con estos temas de investigación, el Instituto Leibniz de Catálisis, junto con sus tres socios, el Instituto Leibniz de Ciencia y Tecnología del Plasma y las dos universidades de la Pomerania de Mecklenburg, se asegura una buena posición en un campo de investigación completamente nuevo. En el futuro, los complejos de metal-enzimas ayudarán, entre otras cosas, a desarrollar procesos para el uso de residuos biológicos para la producción de materiales básicos y energía, un área en la que LIKAT ya está a la vanguardia. Para los investigadores, el atractivo de este ComBioCat del Campus es combinar principios activos de la biología, la química y la física con el fin de sustituir el petróleo y el gas como base de materias primas a largo plazo.
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