Ultrafiltration sorgt für umweltfreundliches Workflow-Design

Wissenschaftler der Macquarie University in Australien verwenden AcroPrep-Ultrafiltrationsplatten für ein neues Verfahren zur Herstellung von Glucarsäure, einer biologisch abbaubaren, biokompatiblen Herstellungsgrundlage für die Produktion.

20. Mai 2021

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Aufgrund zunehmender Umweltanliegen überdenken viele Unternehmen die Biochemie bei der Herstellung ihrer Produkte. Glucarsäure (GlucA) ist ein chemischer Stoff, der aus Glucose gewonnen wird und als Grundstoff für eine Vielzahl von umweltfreundlicheren, biologisch abbaubaren Kunststoffprodukten verwendet werden kann.

 

Das Problem bei der vermehrten Verwendung dieser Chemikalie besteht darin, dass die GlucA-Produktion selbst sehr ineffizient ist, giftige Chemikalien enthält  und große Mengen an notwendigen Cofaktoren verbraucht. Die Australische Forschergruppe wollte diese Problematik durch die Entwicklung eines alternativen, nachhaltigeren  Herstellungsverfahrens für GlucA beheben.

 

Kürzlich  durchgeführte Studien konzentrierten sich auf die Verwendung der mikrobiellen zellbasierten  Produktion von GlucA  als  kosteneffizientere Lösung, aber die Ergebnisse haben gezeigt, dass diese Methoden immer noch ineffizient sind, geringe Erträge liefern und Bedingungen erfordern, die für die meisten Mikroben toxisch sind.

 

In dieser Studie wollten die  Wissenschaftler die Grenzen bisheriger GlucA Herstellungswege mithilfe eines zellfreien Biokatalyse Versehens für die GlucA-Produktion aufheben. Die Biokatalyse verwendet biologische Enzyme anstelle von Chemikalien, um einen nachhaltigeren Herstellungsprozess zu erreichen. Das zellfreie Verfahren entkoppelt den Herstellungsprozess von zellulären Wachstum und ermöglicht eine größere Flexibilität bei den Mischungen und Konzentrationen der erforderlichen Enzyme, wodurch der gesamte Prozess effizienter wird.

 

Die erste Aufgabe der Forscher bestand darin, die erforderlichen Enzyme auf einem synthetischen Substrat zu binden und  dann zu überprüfen , ob die Enzymaktivität durch diesen Prozess nicht beeinträchtigt wurde. Die Multi-Enzym Umwandlung von GlucA von seinem Vorläuferglucose–1–phosphate, wurde dann optimiert, indem eine Reihe von Bedingungen getestet wurden, die eine Variation der  relativen Konzentration der GlucA  Produktionsenzyme und der Reaktionsdauer vorgaben.

 

Nach der Umsetzung der enzymatischen Reaktionen bereiteten die Wissenschaftler eine Analyse der Ergebnisse der Reaktionsmetaboliten vor, um die Effizienz der jeweiligen Bedingung zu evaluieren. Die Gruppe verwendete für diesen Teil ihrer Arbeit  AcroPrep™ Advance-Ultrafiltrationsplatten  mit einer Omega™ 10K MWCO Membran (Molekulargewicht Cut-off) (Abb. 1). Ultrafiltrationsplatten wurden an  einen Pall  Vakuumverteiler  angeschlossen, um die Metabolitenproben zu reinigen  und die enzymatischen Reaktionen zu stoppen.

Die im Rahmen der Studie verwendeten AcroPrep 96–wellUltrafiltrationsplatten eignen sich ideal für Proteinaufreinigungsanwendungen und sind für die Verwendung von Probenvolumina bis zu 300 µL ausgelegt. Pall bietet auch  AcroPrep Platten an, die für größere Probenvolumina von bis zu 7 ml ausgelegt sind.

 

Die AcroPrep Ultrafiltrationsplatten mit Omega MWCO Membranen sind in 1K, 3K, 10K, 30K, und 100K Größen erhältlich.

 

Sobald die Produkte der enzymatischen Reaktionen gereinigt waren, ermöglichte die Metabolitenanalyse des Gluc-A-Produktionswegs den Forschern eine rasche Optimierung der Enzymkonzentrationen und Reaktionszeiten,  so dass sie den Ressourcenaufwand minimieren und gleichzeitig die Produktivität maximieren konnten. Die Forschungsergebnisse belegen die erfolgreiche Produktion von GlucA mit „den höchsten bisher

berichteten Produktionsleistungen bei der Herstellung von Glucarsäure mit einem synthetischen Enzymweg“. Die  Gruppe war zudem in der Lage, ihre Reaktionsstrategie so zu gestalten, dass fünf der sechs enzymatischen Kofaktoren, mit denen sie arbeitete, recycelt und wiederverwendet werden konnten.

 

Im Rahmen dieser Studie wurde der Nachweis erbracht, dass eine zellfreie Strategie mit einem zuvor gebundenen Enzym kostengünstig zur Herstellung von GlucA eingesetzt werden kann. Die Gruppe plant, ihre Arbeit fortzusetzen, um die Produktivität und die Nachhaltigkeit des neuen Herstellungsprozesses zu optimieren.  

 

Pall ist stolz darauf, die Forschung zu nachhaltigeren  biochemischen Produkten und Wegen zu unterstützen.  Weitere Informationen über unsere AcroPrep Filterplatten für  Produkte zur Reinigung von Proteinen   finden Sie auf unserer Website.

 

Literatur:

1. Petroll K., et al. Ein neuartiges Konzept für die zellfreie enzymatische Herstellung von Glucarsäure. Stoffwechseltechnik 57; 162–173. 2020.

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