Enzimi in microsfere per una chimica più sostenibile
Il KIT deposita una domanda di brevetto per un procedimento
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Grazie alla biocatalisi con enzimi, oggi è possibile sintetizzare in modo ecocompatibile una vasta gamma di principi attivi farmaceutici e altre molecole complesse. I ricercatori del Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hanno ora sviluppato una tecnologia che consente di assemblare gli enzimi in microsfere delle dimensioni di un millimetro, adatte allo stoccaggio. Gli enzimi non fungono solo da catalizzatori, ma costituiscono anche il materiale delle microsfere stesse. In un’ulteriore variante, le reti enzimatiche possono essere combinate con cellule viventi. Il procedimento è stato oggetto di una domanda di brevetto. Risultati pubblicati su Advanced Materials.
Nella biocatalisi, gli enzimi accelerano le reazioni e possono essere utilizzati al posto dei catalizzatori chimici, spesso tossici. In questo modo è possibile risparmiare materie prime ed energia. Affinché questa tecnologia trovi la più ampia applicazione possibile nell’industria chimica, è tuttavia fondamentale garantire la disponibilità continua e in grandi quantità dei biocatalizzatori. Inoltre, questi devono essere conservabili, trasportabili e facilmente dosabili. Per soddisfare tutti questi requisiti, un team guidato dal professor Christof Niemeyer dell’Istituto per le Interfacce Biologiche 1 del KIT ha ulteriormente sviluppato il concetto dei cosiddetti idrogel interamente enzimatici (AEH). In questo processo, gli enzimi vengono dotati di moduli di legame molecolari adeguati. «Quando i componenti complementari entrano in contatto, si organizzano autonomamente in reti proteiche tridimensionali», spiega Niemeyer. «Gli enzimi fungono quindi contemporaneamente da catalizzatori e da materiale da costruzione delle sferette – un grande vantaggio rispetto ai metodi convenzionali. Evitiamo l’uso di materiale vettore inattivo e aumentiamo l’efficienza della reazione chimica desiderata».
I ricercatori hanno sfruttato queste proprietà per produrre, in due fasi, sferette maneggevoli (in inglese: «beads»). Innanzitutto hanno riunito i componenti enzimatici complementari in goccioline di liquido e li hanno fissati mediante congelamento rapido in azoto liquido. La successiva liofilizzazione ha portato alla formazione di microsfere proteiche porose, meccanicamente stabili e di dimensioni definite. Le particelle essiccate possono essere reimmesse in un liquido e utilizzate per reazioni biocatalitiche.
Sistema modulare a base di enzimi e cellule
Utilizzando enzimi e tipi di reazione molto diversi tra loro, il team ha dimostrato che il processo è versatile. Nelle sferette è stato possibile organizzare sia singole funzioni catalitiche sia sistemi composti da più enzimi – con o senza sostanze ausiliarie aggiuntive. «A seconda della reazione desiderata, è possibile adattare la composizione del materiale», spiega Niemeyer. «Si tratta di una sorta di sistema modulare: possiamo assemblare diversi componenti enzimatici in reti catalitiche tramite moduli di legame definiti e successivamente trasformarle in una forma particellare facilmente gestibile». Gli scienziati hanno inoltre dimostrato l’impiego delle AEH-Beads per molte ore in reattori a flusso continuo.
In ulteriori test, il team ha combinato i componenti enzimatici con cellule del batterio Escherichia coli, producendo così microsfere ibride. A differenza degli enzimi, le cellule possono, ad esempio, fornire energia chimica o generare prodotti intermedi. Le microsfere ibride sono rimaste cataliticamente attive anche dopo oltre quattro settimane di conservazione a secco a temperatura ambiente. Anche dopo cinque mesi di conservazione, le funzioni del sistema cellula-enzima erano ancora rilevabili. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile recuperare cellule vitali dai materiali, preservandone la funzione genetica.
Utilizzabili per prodotti chimici fini o farmaci
«Con le sfere ibride uniamo due forme di biocatalisi che normalmente vengono considerate separatamente», afferma Niemeyer. «In esse possiamo combinare in modo mirato singoli enzimi e allo stesso tempo sfruttare le capacità delle cellule viventi. Si ottiene così un materiale che unisce entrambi gli approcci ed è facile da maneggiare». Possibili campi di applicazione sono, ad esempio, la produzione di prodotti chimici fini, aromi, principi attivi farmaceutici e altri prodotti chimici di alta qualità.
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Pubblicazione originale
Jennifer Kühne, Julian S. Hertel, André Delavault, et al.; "Programmable Carrier‐Free All‐Enzyme Beads for Modular Continuous‐Flow Biocatalysis"; Advanced Materials, 2026-9-24
Marius Stoeckle, Kersten S. Rabe, Christof M. Niemeyer; "Self‐Assembled Hybrid Cell‐Enzyme Materials for Gas‐Powered Biocatalysis"; Advanced Functional Materials, 2026-9-2
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