Verringerung der CO2-Bilanz von Methan durch Umwandlung in Methanol mit einem neuen Enzym
Ein Team unter der Leitung von Professor Osami Shoji an der Universität Nagoya in Japan hat eine Technologie entwickelt, um Methan, den Hauptbestandteil von Erdgas, bei Raumtemperatur in Wasser in Methanol umzuwandeln. Dabei wurde ein Enzym verwendet, das sich leicht in Massenproduktion herstellen lässt und die Möglichkeit bietet, den Kohlenstoff-Fußabdruck von Erdgas kostengünstig und effektiv zu verringern. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift ACS Catalysis veröffentlicht.
Eine neue Technologie wandelt einen Bestandteil von Erdgas, Methan (links), in Methanol (rechts) um, wobei das P450BM3-Enzym (Mitte, grau) mit einem Lockvogelmolekül (Mitte, farbig) verwendet wird. Diese Methode kann ein kostengünstiges und wirksames Mittel zur Verringerung des Kohlenstoff-Fußabdrucks von Erdgas sein.
Ariyasu Shinya
Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und eine reichlich vorhandene natürliche Ressource. Es ist jedoch chemisch stabil und erfordert große Mengen an Energie, bevor es chemisch umgewandelt werden kann. Eine Lösung ist die Umwandlung von Methan in Methanol. Methan kann in Methanol umgewandelt werden, das sauberer ist als andere fossile Brennstoffe und leicht gelagert und transportiert werden kann. Die Umwandlung von Methan in Methanol kann mit Hilfe des Enzyms Methan-Monooxygenase erfolgen. Das Enzym hat jedoch eine komplexe Struktur, die es schwierig zu handhaben und für die Massenproduktion ungeeignet macht.
Enzyme sind in der Regel sehr spezifisch und werden oft mit einem Schlüssel für ein bestimmtes Schloss verglichen. Die Umwandlung von Methan in Methanol mit anderen Enzymen als der Methan-Monooxygenase galt als unmöglich. Die Forschergruppe griff jedoch auf ihre früheren Arbeiten über die Zugabe von chemisch synthetisierten Molekülen zu einem Enzym zurück, um die Eigenschaften des Enzyms selbst zu verändern. Dies ermöglicht die chemische Umwandlung von Verbindungen, die normalerweise nicht akzeptiert werden, ein Prozess, der als Substrat-Fehlerkennungssystem bezeichnet wird.
"Bei diesem System werden künstliche Moleküle, so genannte Täuschungsmoleküle, entworfen und synthetisiert, die den Verbindungen, den so genannten Substraten, ähneln, die das Zielenzym normalerweise akzeptiert", so Shoji. "Wenn sie dem Enzym zugefügt werden, nimmt das Enzym die "Lockmoleküle" fälschlicherweise als die ursprüngliche Zielverbindung auf, und das Enzym wird aktiviert. Wenn ein Molekül, in diesem Fall Methan, das normalerweise nicht reaktiv ist, dem Enzym zugesetzt wird, hält das Enzym das Lockmolekül fälschlicherweise für die ursprüngliche Zielverbindung und nimmt es auf. Das aktivierte Enzym wandelt dann das Methan 'fälschlicherweise' in ein anderes Molekül um."
Die Forschergruppe wandte die chemische Enzymkontrolltechnologie auf das Enzym P450BM3 an. Es hydroxyliert langkettige Fettsäuremoleküle und wurde bereits zur Umwandlung ähnlicher Stoffe wie Benzol, Ethan und Propan eingesetzt. Da diese Stoffe jedoch reaktiver und größer als Methan sind, stellte die Umwandlung von Methan eine größere Herausforderung dar.
Als nächstes suchte die Gruppe nach Täuschungsmolekülen mit einer optimalen Struktur, um das kleinste Methanmolekül in der Reaktionstasche von P450BM3 zu verankern. Die Forscher untersuchten etwa 40 Moleküle, die sich bei der Hydroxylierung von Ethan als wirksam erwiesen hatten, aus einer Bibliothek von etwa 600 Lockmolekülen. In einem Durchbruch bestätigte Shoji, dass das effizienteste Decoy-Molekül Methan in Wasser bei Raumtemperatur in Methanol umwandeln kann.
"Als wir es testeten, wandelten wir mit Hilfe von P450BM3 erfolgreich Methan in Methanol um", so Shoji. "Dies war ein aufregender Durchbruch, da P450BM3 aus dem Bakterium Priestia megaterium (früher Bacillus megaterium) gewonnen wird und somit leicht zu handhaben und in großen Mengen mit E. coli zu produzieren ist. Das macht es zu einer attraktiven neuen Option für die effektive Nutzung von Methangas."
Eines Tages könnten die Täuschungsmoleküle die Umwandlung von Verbindungen ermöglichen, die weniger schwierig sind als Methan. "Wir gehen davon aus, dass die Technologie zu einer energiearmen, umweltfreundlichen Umwandlungstechnologie für viele andere Kohlenwasserstoffe als Methan entwickelt werden kann", so Shoji. "Daher wird erwartet, dass sie zur Förderung des Einsatzes von Enzymen bei der Entdeckung von umweltfreundlichen Stoffumwandlungstechnologien in Japan beitragen wird. Wir erwarten, dass diese Errungenschaft einen bedeutenden Einfluss auf die Bereiche der katalytischen und enzymatischen Chemie haben wird."
Japan könnte sich als ideales Testgebiet für ihre Technologie erweisen, da in den umliegenden Meeren große Mengen an Methan entdeckt wurden, die als Methanhydrat vergraben sind. Shoji ist optimistisch, was das Potenzial zur Nutzung dieser ungenutzten Ressource angeht. Er sagte: "Die Entwicklung effektiver Methoden zur Methannutzung ist ein wichtiges Thema, um sowohl Umweltprobleme zu lösen als auch die Effizienz der Ressourcennutzung zu steigern. Wir hoffen, dass unsere Forschung dazu beitragen kann, das Problem der begrenzten natürlichen Ressourcen in Japan zu lösen."
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Originalveröffentlichung
Shinya Ariyasu, Kai Yonemura, Chie Kasai, Yuichiro Aiba, Hiroki Onoda, Yuma Shisaka, Hiroshi Sugimoto, Takehiko Tosha, Minoru Kubo, Takashi Kamachi, Kazunari Yoshizawa, Osami Shoji; "Catalytic Oxidation of Methane by Wild-Type Cytochrome P450BM3 with Chemically Evolved Decoy Molecules"; ACS Catalysis, Volume 13, 2023-6-14
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