Project B8 - Biotechnology

Plasma-driven biocatalysis

A research team from Bochum has developed a new method to drive catalytically active enzymes.

Compared with traditional chemical methods, enzyme catalysis has numerous advantages. But it also has weaknesses. Some enzymes are not very stable. Enzymes that convert hydrogen peroxide are even inactivated by high concentrations of the substrate. A research team at Ruhr-Universität Bochum (RUB), together with international partners, has developed a process in which the starting material, i.e. hydrogen peroxide, is fed to the biocatalysts in a controlled manner using plasma. The enzymes themselves are protected from harmful components of the plasma by a buffer layer. Using two model enzymes, the team showed that the process works, as reported in the journal “ChemSusChem” from 5 February 2020.

Milder conditions, less energy consumption and waste

In biocatalysis, chemicals are produced by cells or their components, in particular by enzymes. Biocatalysis has many advantages over traditional chemical processes: the reaction conditions are usually much milder, energy consumption is lower and less toxic waste is produced. The high specificity of enzymes also means that fewer side reactions occur. Moreover, some fine chemicals can only be synthesised by biocatalysis.

The weak spot of enzyme biocatalysis is the low stability of some enzymes. “Since the enzyme often has to be replaced in such cases – which is expensive – it is extremely important to increase the stability under production conditions,” explains lead author Abdulkadir Yayci from the Chair of Applied Microbiology headed by Professor Julia Bandow.

Hydrogen peroxide: necessary, but harmful

The research team has been studying two similar classes of enzymes: peroxidases and peroxygenases. Both use hydrogen peroxide as a starting material for oxidations. The crucial problem is that hydrogen peroxide is absolutely necessary for activity, but in higher concentrations it leads to a loss of activity of the enzymes. As far as these enzyme classes are concerned, it is therefore vital to supply hydrogen peroxide in precise doses.

To this end, the researchers investigated plasmas as a source of hydrogen peroxide. Plasma describes the fourth state of matter that is created when energy is added to a gas. If liquids are treated with plasmas, a large number of reactive oxygen and nitrogen species are formed, some of which then react to form long-lived hydrogen peroxide, which can be used for biocatalysis.

Biocatalytic reactions with plasma-generated hydrogen peroxide are possible

In an experiment in which horseradish peroxidase served as one of the model enzymes, the team showed that this system works in principle. At the same time, the researchers identified the weak points of plasma treatment: “Plasma treatment also directly attacks and inactivates the enzymes, most likely through the highly reactive, short-lived species in the plasma-treated liquid,” outlines Abdulkadir Yayci. The research group improved the reaction conditions by binding the enzyme to an inert carrier material. This creates a buffer zone above the enzyme in which the highly reactive plasma species can react without harming the enzyme.

The researchers then tested their approach using a second enzyme, the unspecific peroxygenase from the fungus Agrocybe aegerita. This peroxygenase has the ability to oxidise a large number of substrates in a highly selective way. “We successfully demonstrated that this specificity is maintained even under plasma treatment and that highly selective biocatalytic reactions are possible using plasma,” concludes Julia Bandow.

written by Maike Drießen, RUB

Project B8 - Biotechnologie

Plasmen treiben die Biokatalyse an

Ein Bochumer Forschungsteam hat eine neue Methode entwickelt, katalytisch aktive Enzyme anzutreiben.

Die Katalyse durch Enzyme hat gegenüber traditionellen chemischen Verfahren viele Vorteile – aber auch Schwachstellen. So sind manche Enzyme nicht sehr stabil. Enzyme, die Wasserstoffperoxid umsetzen, werden sogar durch hohe Konzentrationen des Substrates inaktiviert. Ein Forschungsteam der RUB hat gemeinsam mit internationalen Partnern ein Verfahren entwickelt, bei dem der Ausgangsstoff Wasserstoffperoxid den Biokatalysatoren mithilfe von Plasma kontrolliert zugeführt wird. Die Enzyme selbst sind durch eine Pufferschicht vor schädlichen Bestandteilen des Plasmas geschützt. Anhand zweier Modellenzyme konnte das Team zeigen, dass das Verfahren funktioniert, wie die Zeitschrift „ChemSusChem“ vom 5. Februar 2020 berichtet.

Mildere Bedingungen, weniger Energieverbrauch und Abfall

Gegenüber traditionellen chemischen Verfahren hat die Biokatalyse viele Vorteile: Die Reaktionsbedingungen sind meist deutlich milder, der Energieverbrauch niedriger und es entsteht weniger toxischer Abfall. Durch die hohe Spezifität von Enzymen ergeben sich außerdem weniger Nebenreaktionen. Manche Feinchemikalien können sogar nur durch Biokatalyse synthetisiert werden.

Die Schattenseite der Biokatalyse mithilfe von Enzymen ist die geringe Stabilität mancher Enzyme. „Da das Enzym in diesen Fällen oft ersetzt werden muss, was teuer ist, ist es enorm wichtig, die Stabilität unter Produktionsbedingungen zu erhöhen“, erklärt Erstautor Abdulkadir Yayci vom Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie von Prof. Dr. Julia Bandow.

Wasserstoffperoxid: notwendig, aber schädlich

Das Forschungsteam hat sich mit zwei ähnlichen Enzymklassen beschäftigt: Peroxidasen und Peroxygenasen. Beide verwenden Wasserstoffperoxid als Ausgangsstoff für Oxidationen. Das entscheidende Problem ist, dass Wasserstoffperoxid zwar für die Aktivität absolut notwendig ist, aber in höheren Konzentrationen zum Aktivitätsverlust der Enzyme führt. Speziell für diese Enzymklassen ist es daher sehr wichtig, Wasserstoffperoxid dosiert zuzuführen.

Um das zu bewerkstelligen, untersuchten die Forscherinnen und Forscher Plasmen als Quelle für Wasserstoffperoxid. In der Arbeit konnte das Team zeigen, dass dieses System prinzipiell funktioniert. Gleichzeitig gelang es, die Schwachstellen der Plasmabehandlung zu identifizieren. Die Arbeitsgruppe konnte die Reaktionsbedingungen verbessern, indem sie das Enzym an ein inertes Trägermaterial band. Dadurch entsteht über dem Enzym eine Pufferzone, in der die hochreaktiven Plasma-Spezies abreagieren können, ohne dem Enzym zu schaden.

Biokatalytische Reaktionen mit plasma-generiertem Wasserstoffperoxid sind möglich

In der Arbeit, in der die Meerrettichperoxidase als eines der Modellenzyme diente, konnte das Team zeigen, dass dieses System prinzipiell funktioniert. Gleichzeitig gelang es, die Schwachstellen der Plasmabehandlung zu identifizieren: „Die Plasmabehandlung greift auch direkt die Enzyme an und inaktiviert sie, höchstwahrscheinlich durch die hochreaktiven, kurzlebigen Spezies in der plasma-behandelten Flüssigkeit“, beschreibt Abdulkadir Yayci. Die Arbeitsgruppe konnte die Reaktionsbedingungen verbessern, indem sie das Enzym an ein inertes Trägermaterial band. Dadurch entsteht über dem Enzym eine Pufferzone, in der die hochreaktiven Plasma-Spezies abreagieren können, ohne dem Enzym zu schaden.

An einem zweiten Enzym, der unspezifischen Peroxygenase aus dem Pilz Agrocybe aegerita, prüften die Forscher dann ihren Ansatz. Diese Peroxygenase kann hochselektiv eine Vielzahl von Substraten oxidieren. „Wir konnten zeigen, dass diese Spezifität auch unter Plasmabehandlung erhalten bleibt und hochselektive biokatalytische Reaktionen mithilfe von Plasma möglich sind“, fasst Julia Bandow zusammen.

geschrieben von Maike Drießen, RUB

Plasma Science for Engineers

Plasma workshop at Bo.Ing 2020

The SFB-TR 87 and CRC 1316 joined the workshop program of the Bo.Ing 2020. At the Bochum engineering forum "BO.Ing", pupils are given an insight into the engineering sciences in workshops, laboratory tours and discussion groups. The event is organised by the zdi network IST.Bochum.NRW and is implemented in cooperation with universities from Bochum and the surrounding cities. Sixteen pupils attended a hands-on workshop and learned the basic ideas about plasma and its application by performing their very own experiments.