Wat kan een kunststofproducent leren van de life sciences? Bijvoorbeeld dat je exotische polymerisaties efficiënt kunt katalyseren met enzymen, liet DSM’er Andreas Heise onlangs zien op een NBV-bijeenkomst.

“Ons verhaal komt er op neer dat we enzymen uit hun natuurlijke omgeving halen en inzetten in diverse oplosmiddelen. Aan zulke condities zijn ze niet gewend, maar meestal doen ze hun werk nog heel goed.”

Aan het woord is Andreas Heise, onderzoeker bij zowel DSM Research als de TU Eindhoven (TU/e). Hij gaf op 22 januari een kijkje in de keuken tijdens een minisymposium van de Nederlandse Biotechnologische Vereniging (NBV) in Amersfoort. In zijn ogen vormen enzymen een prachtig nieuw gereedschap voor de kunststoffenindustrie.

Voor hardcore chemici is het idee misschien even wennen, maar eigenlijk zijn enzymen gewoon stoffen die tamelijk eenvoudige chemische reacties katalyseren. En vergeleken met anorganische katalysatoren hebben ze duidelijke voordelen. Ze zijn efficiënt, selectief en ze werken onder zeer milde condities. Lichaamstemperatuur en atmosferische druk zijn haast per definitie voldoende. “Met enzymen kun je dingen doen die met een ‘chemische’ ­katalysator niet mogelijk zijn omdat je ­reactanten of producten de daarvoor benodigde temperaturen niet zouden over­leven”, zo vat Heise het samen.

Volgens Heise is er haast geen reactie of je kunt er wel een enzym voor vinden. Hij wijst erop dat de farmaceutische industrie enzymen al zo’n dertig jaar benut voor diverse toepassingen, zoals de productie van semisynthetische antibiotica. Maar deze syntheses worden meestal in waterige oplossingen uitgevoerd, en polymerisaties verdragen vaak geen water.

Eenpots syntheses

In Angewandte Chemie beschreef hij vorig jaar, samen met Anja Palmans van de TU/e, hoe je een chiraal polyester maakt uit een dicarboxylzuurverbinding en een racemisch mengsel van diolen. Als katalysator diende een commercieel verkrijgbaar enzym (Candida Antarctica lipase) dat in de natuur esters splitst, maar bij aangepaste condities de omgekeerde reactie bevordert. Daarbij blijkt het ook nog de aanwezigheid van ruthenium als tweede katalysator te verdragen.

De truc is dat het lipase enantioselectief is. Van de eindgroepen van het diol bestaan twee stereo-isomeren, en slechts één daarvan wordt door het enzym veresterd. Op het andere isomeer loopt de polymerisatie dood. Ruthenium zorgt dat beide isomeren continu in elkaar overgaan (racemiseren), waarbij de kans dus telkens fiftyfifty is dat de keten verder kan reageren. Uiteindelijk wordt zo minstens 99,5 procent van het monomeer opgebruikt, en dat blijkt nu net de belangrijkste voorwaarde om lange ketens te krijgen.

Dergelijke ‘éénpotssyntheses’ met twee parallel werkende katalysatoren zijn bij Heise lichtelijk favoriet. In Macromolecules beschreef hij al eens een tweetrapsreactie waarbij Novozyme 435 eerst caprolactam polymeriseert via een ringopening, waarna er via atom transfer-radicaalpolymerisatie een keten van methylmethacrylaatmoleculen aan wordt gezet. Die laatste reactie wordt gekatalyseerd door CuBr en pentamethyldiethyleentriamine (PMDETA).Het bewijst in elk geval dat een enzym meer kan hebben dan je zou verwachten.

Concurreren

Bovengenoemde reacties zijn volgens Heise vooral wetenschappelijk interessant. “Anders zou ik er niet over hebben gepubliceerd”, zegt hij lachend. Over mogelijke industriële toepassingen wil hij nog niet veel kwijt, daar is het nog te vroeg voor. “Ik denk dat enzymen concurrerend kunnen zijn bij het maken van speciale polymeren met nauw gedefinieerde functionaliteiten en eigenschappen. Te denken valt aan biomedische toepassingen die een wisselwerking vertonen met biologische systemen. Misschien kun je ze wel als drager voor geneesmiddelen gebruiken.”

Bron: C2W life sciences2