Die Grenzen umweltfreundlicher Chemieproduktion überwinden
Forscher nutzen lichtbetriebene Enzyme zur Veränderung von Azaarenen und legen damit den Grundstein für eine nachhaltige Zukunft
Ein Team von Pionierforschern des Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) hat einen bedeutenden Sprung in der komplexen Welt der Molekularchemie gemacht.
Zum Forschungsteam der University of Illinois gehörten, von links: Postdoc Yujie Yuan, Doktorand Wesley Harrison, Leiter des CABBI-Umstellungsthemas Huimin Zhao, Postdoc Maolin Li und Postdoc Zhengyi Zhang
CABBI Communications
Ihr Schwerpunkt? Azaarene, einzigartige molekulare Puzzlestücke, die für viele Alltagsprodukte - von umweltfreundlichen Agrochemikalien bis hin zu unentbehrlichen Medikamenten - von entscheidender Bedeutung sind. Das CABBI-Team hat einen innovativen Weg zur Modifizierung dieser Moleküle aufgezeigt, eine bahnbrechende Entdeckung, die neue industriell relevante chemische Reaktionen und nachhaltige Energielösungen verspricht.
Im Mittelpunkt ihrer Forschung steht der Einsatz von photoenzymatischen Systemen. Vereinfacht ausgedrückt ist dies so, als würde man die winzigen Arbeiter der Natur, die Enzyme, mit einer Taschenlampe aufladen und sie so in die Lage versetzen, molekulare Strukturen auf noch nie dagewesene Weise zusammenzubauen oder zu reparieren. Durch die Nutzung der Kraft des Lichts haben die Wissenschaftler neue chemische Reaktionen entdeckt, die bisher als unerreichbar galten.
Die in Nature Chemistry veröffentlichte Studie wurde von Forschern der University of Illinois Urbana-Champaign durchgeführt. Die Hauptautoren sind Huimin Zhao, Leiter des CABBI-Umstellungsthemas, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik (ChBE), Leiter des Biosystemdesign-Themas am Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB) und Direktor des NSF Molecule Maker Lab Institute in Illinois, und Maolin Li, Postdoktorandin am CABBI, ChBE und IGB.
Azaarene, die im riesigen Universum der Chemie scheinbar winzig sind, spielen dennoch eine monumentale Rolle. Sie sind die Bausteine für eine Vielzahl von Verbindungen und beeinflussen sogar die DNA in unseren Zellen. Die Herausforderung lag jedoch immer in ihrer Manipulation.
Dank der Entwicklung eines En-Reduktase-Systems durch das Team - ein spezielles molekulares Toolkit mit dem Enzym En-Reduktase, das Zhaos Labor in früheren Studien eingesetzt hat - haben die Forscher einen Weg gefunden, diese Moleküle auf komplizierte Weise und ohne Kollateralschäden zu verändern.
Eine der herausragenden Leistungen ihrer Arbeit ist die Beherrschung des enantioselektiven Wasserstoffatomtransfers. Moleküle gibt es oft in links- und rechtshändigen Versionen, den Enantiomeren, ähnlich wie bei Handschuhen. Die Methode des Teams ermöglicht es ihnen, beide Versionen mit beispielloser Präzision selektiv anzusteuern und anzupassen. Mit Hilfe einer Stereo-Fernsteuerung könnten sie diese präzisen Einstellungen auch aus der Ferne vornehmen.
Für CABBI und den Bioenergiesektor ist diese Entdeckung ein entscheidender Fortschritt. Biokraftstoffe und Bioprodukte - Energie und Produkte, die aus Pflanzenmaterial und nicht aus nicht erneuerbaren Ressourcen wie Erdöl gewonnen werden - stehen für eine grünere und nachhaltigere Zukunft. Die Forschungsarbeiten des Teams haben das Spektrum der chemischen Reaktionen und Bioprodukte, die effizient hergestellt werden können, erweitert.
Im Rahmen der Studie wurde auch das Konzept der asymmetrischen Photokatalyse eingeführt, eine revolutionäre Technik, die die Konsistenz dieser Reaktionen gewährleistet. Dies kann neue Wege für die Herstellung von Biokraftstoffen und Bioprodukten aus einer breiteren Palette von Biomasse-Rohstoffen eröffnen, was sich direkt mit den Zielen des CABBI und der allgemeinen DOE-Mission zur Förderung nachhaltiger Energie- und Produktlösungen deckt.
"Mit unserem neuartigen Ansatz zu Azaarenen und dem Einsatz von enzymatischem Wasserstoffatomtransfer verschieben wir nicht nur die Grenzen der Chemie", sagte Zhao. "Wir legen den Grundstein für eine nachhaltigere und innovativere Zukunft. Unsere Forschung hat das Instrumentarium für eine umweltfreundliche Produktion erweitert und hat das Potenzial, einen Durchbruch in der Agrochemie und darüber hinaus zu bewirken.
Außerhalb des Labors ist das Potenzial für reale Anwendungen immens, von einer Vorreiterrolle bei nachhaltiger Energie bis hin zu sichereren Agrarchemikalien. Fortschritte bei Bioenergie und Bioprodukten können zu wirtschaftlichem Wachstum führen, mit neuen Industrien, Arbeitsplätzen und Produkten für die Verbraucher und potenziell erschwinglicheren Energiequellen. Durch die Förderung nachhaltiger und effizienter Produktionsmethoden kann die Forschung die Umweltverschmutzung und -zerstörung verringern, was zu sauberer Luft und sauberem Wasser für die Bevölkerung führt.
Da die Welt mit Umweltproblemen und der dringenden Notwendigkeit nachhaltiger Lösungen konfrontiert ist, weisen Entdeckungen wie diese den Weg in die Zukunft, so Li.
"Als Postdoktorand in diesem Projekt bin ich tief in die Feinheiten der Azaarenen und ihr Potenzial eingetaucht. Die Herausforderungen der Stereo-Fernsteuerung zu enträtseln und die transformativen Möglichkeiten unserer Erkenntnisse zu erleben, war wirklich aufregend. Bei dieser Forschung geht es nicht nur um die Feinheiten chemischer Reaktionen, sondern auch um die Zukunft der nachhaltigen Energie und vieles mehr. Ich bin gespannt, wohin uns diese Reise als nächstes führt", sagte Li.
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