Gli enzimi superano la barriera termica dei 100 gradi
Il processo è interessante per l'industria chimica
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Gli enzimi sono in grado di accelerare in modo mirato le reazioni chimiche. Vengono utilizzati, tra l’altro, per produrre sostanze chimiche in modo più sostenibile. Tuttavia, alcune sostanze possono essere lavorate solo ad alte temperature – e spesso queste temperature non sono ben tollerate dalle proteine, che sono molto sensibili. I ricercatori dell’Università di Bielefeld hanno ora trovato un modo per utilizzare gli enzimi anche a 100 gradi Celsius e oltre: li racchiudono in una struttura porosa protettiva. In questo modo gli enzimi rimangono funzionali e possono essere riutilizzati più volte. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista specializzata «Angewandte Chemie Novit».
Gli enzimi svolgono un ruolo importante in natura. In qualità di biocatalizzatori, rendono possibili e accelerano le reazioni chimiche negli organismi viventi, garantendone lo svolgimento controllato. Queste proprietà li rendono interessanti anche per l’industria chimica: rispetto a molti processi chimici convenzionali, le reazioni catalizzate dagli enzimi possono spesso essere condotte in condizioni più moderate. Ciò consente di risparmiare energia, utilizzare le materie prime in modo più efficiente ed evitare la produzione di rifiuti.
Tuttavia, gli enzimi, in quanto molecole proteiche, presentano un punto debole: necessitano di una determinata struttura spaziale per poter svolgere la loro funzione. A temperature elevate, questa struttura può andare persa. L’enzima si dispiega in modo simile a un gomitolo di lana che viene srotolato. In questo modo perde l’attività desiderata come acceleratore di reazione.
Una gabbia polimerica protegge l’enzima
La questione di come gli enzimi possano stabilizzarsi anche a temperature elevate ed essere utilizzati per reazioni chimiche è stata studiata dal professor Harald Gröger della Facoltà di Chimica e dal suo team, in collaborazione con il professor Andreas Hütten e il suo team della Facoltà di Fisica. La loro idea: l’enzima doveva essere incorporato in un ambiente protettivo tridimensionale, in modo da mantenere la propria forma e quindi la propria attività anche a temperature elevate.
Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno racchiuso l’enzima in una struttura porosa costituita da un polimero organico. I pori sono abbastanza grandi da consentire alle sostanze necessarie all’enzima per svolgere la reazione chimica di entrare e ai prodotti risultanti di uscire.
Allo stesso tempo, la struttura impedisce all’enzima di dispiegarsi a causa del calore e quindi di deformarsi. Nei processi chimici convenzionali, gli enzimi vengono spesso fissati a una superficie e sono quindi esposti direttamente all’ambiente circostante. Nel nuovo processo, invece, l’enzima è protetto all’interno di una struttura a gabbia porosa, ma può comunque continuare a funzionare ed essere riutilizzato più volte.
L’enzima è rimasto protetto anche a 100 gradi Celsius
Per gli studi, i ricercatori hanno utilizzato una lipasi. L’enzima impiegato viene spesso utilizzato per sintesi chimiche, ma di norma è sensibile al calore. Grazie all’incorporazione nella struttura porosa del materiale, i ricercatori hanno potuto dimostrare che la lipasi rimane attiva anche a temperature elevate e che, pertanto, la struttura porosa protegge effettivamente l’enzima dal calore. Senza questa protezione, invece, la lipasi perde in gran parte la sua attività.
L’enzima incorporato è rimasto attivo anche a 100 gradi Celsius. A questa temperatura ha addirittura funzionato circa il doppio più velocemente rispetto a temperatura ambiente. L’enzima protetto, impiegato come biocatalizzatore, è rimasto efficiente anche dopo ripetuti utilizzi. In un setup sperimentale volto a studiarne il riutilizzo, le sue prestazioni a 100 gradi Celsius sono rimaste pressoché invariate per dodici cicli di reazione.
«All’inizio del lavoro ci siamo posti la domanda di ricerca fondamentale: con quali metodi è possibile impedire il dispiegamento degli enzimi anche a temperature elevate e in condizioni di reazione difficili?», afferma la dott.ssa Jianing Yang, prima autrice dello studio. «È emerso che gli enzimi, grazie all’integrazione su misura in composti a gabbia, presentano le proprietà desiderate.»
Il processo è interessante per l’industria chimica
Il vantaggio dell’elevata stabilità termica va oltre l’enzima stesso. Alcune materie prime chimiche sono solide a temperatura ambiente e fondono solo a temperature pari o superiori a 100 gradi Celsius. Finora, per le reazioni enzimatiche, tali sostanze dovevano spesso essere prima miscelate con un solvente, il che rendeva il processo più complesso.
Con il nuovo processo, invece, i ricercatori possono utilizzare le sostanze direttamente allo stato fuso. Nei loro esperimenti sono riusciti, tra l’altro, a ottenere una reazione a 110 gradi Celsius. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che l’approccio funziona anche a temperature fino a 120 gradi Celsius. Le reazioni si sono svolte senza l’uso di solventi organici.
Ciò è interessante per l’industria chimica: un possibile campo di applicazione è la produzione dei cosiddetti esteri. Questi sono necessari, tra l’altro, per prodotti cosmetici, profumi e materie plastiche. Molte delle materie prime utilizzate a tal fine hanno punti di fusione superiori a 100 gradi Celsius.
Utilizzare gli enzimi dove finora non era possibile
«Il nostro obiettivo era rendere i processi biocatalitici utilizzabili in modo efficiente anche dove finora ciò era considerato impossibile», afferma il professor Harald Gröger, responsabile del gruppo di lavoro di Chimica Organica Industriale e Biotecnologia e coautore dello studio. «Vogliamo sviluppare la ricerca in modo coerente verso l’applicazione e promuovere il trasferimento nei processi industriali».
Il professor Andreas Hütten, professore senior di Fisica a Bielefeld e coautore dello studio, ha esaminato insieme al suo team, tra le altre cose, la struttura del materiale e il modo in cui l’enzima è racchiuso al suo interno. A tal fine sono state impiegate anche tecniche di microscopia elettronica.
«Abbiamo esaminato la struttura del materiale con un microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione, ottenendo così informazioni sull’interno della struttura polimerica porosa», afferma Hütten. «Si è trattato di una sfida particolare, poiché il materiale non ha una struttura regolare come quella di un cristallo.» Le analisi sono state fondamentali per comprendere come è costituita la struttura porosa e in che modo l’enzima vi è racchiuso.
Ulteriori ricerche per applicazioni industriali
La collaborazione dimostra anche come da una questione scientifica di base possa nascere una possibile applicazione industriale. Nel frattempo, i ricercatori hanno avviato colloqui con aziende operanti in diversi settori produttivi. L’obiettivo è quello di sviluppare ulteriormente il processo ed estenderlo ad altri enzimi e processi industriali. A tal fine sono ancora necessarie ulteriori indagini, tra l’altro sulla stabilità a lungo termine dei biocatalizzatori e sul trasferimento del processo su scala industriale.
La ricerca è già stata premiata all’inizio del 2026 con il Jörg Schwarzbich Inventor Award 2025. Il premio, del valore di 40.000 euro, viene assegnato dalla Società Universitaria di Bielefeld e dall’Università di Bielefeld e riconosce le invenzioni scientifiche con un elevato potenziale di innovazione e applicazione.
Il parere del professor Harald Gröger sull’argomento: «Il passo decisivo è stato quello di non fissare l’enzima alle superfici, ma di inserirlo in una struttura tridimensionale a gabbia. In questo modo possiamo utilizzare gli enzimi a temperature che finora erano troppo elevate per reazioni biocatalitiche efficienti e quindi non adatte. Ora si tratta di sviluppare ulteriormente questo concetto e renderlo utilizzabile per applicazioni industriali.»
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