Ερευνητές αναπτύσσουν ένζυμο που μπορεί να μετατρέψει το φερουλικό οξύ από φυτικά απόβλητα σε βανιλίνη – την κλασική ένωση με γεύση βανίλιας.
Το εκχύλισμα βανίλιας είναι μία από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες αρωματικές ενώσεις σε προϊόντα διατροφής και καλλυντικά. Η ευχάριστη και γλυκιά μυρωδιά αυτής της κλασικής γεύσης μεταδίδεται από τη χημική ένωση «βανιλίνη» που βρίσκεται στους λοβούς σπόρων φυτών βανίλιας που ανήκουν στην οικογένεια των ορχιδέων. Στα φυτά, η βανιλίνη συντίθεται με τη μετατροπή του φερουλικού οξέος από το ένζυμο – VpVAN. Ωστόσο, η εργαστηριακή βιοσύνθεση της βανιλλίνης από VpVAN φυτικής προέλευσης αποδίδει μόνο πολύ μικρές ποσότητες βανιλίνης και, ως εκ τούτου, είναι εμπορικά ανέφικτη. Επιπλέον, αν και τα χημικά παραγόμενα αποστάγματα βανίλιας διατίθενται φθηνά, δεν ταιριάζουν με τη γεύση του φυσικού εκχυλίσματος βανίλιας και η ζήτηση για το τελευταίο εξακολουθεί να παραμένει υψηλή. Στα παραπάνω έχρονται να προστεθούν και οι κλιματικοί περιορισμοί για την καλλιέργεια φυτών βανίλιας και η σχετικά μικρή απόδοση που επιτυγχάνεται ανά φυτό, που έχουν οδηγήσει σε μείωση της προσφοράς και αύξηση της τιμής του φυσικού εκχυλίσματος βανίλιας.
Αντιμετωπίζοντας αυτές τις προκλήσεις, ο καθηγητής Toshiki Furuya από το Τμήμα Εφαρμοσμένων Βιολογικών Επιστημών της Σχολής Επιστημών και Τεχνολογίας του Πανεπιστημίου Επιστημών του Τόκιο και η ομάδα του, ανέπτυξαν με επιτυχία ένα ένζυμο που παράγει βανιλίνη από φερουλικό οξύ φυτικής προέλευσης.
«Το φερουλικό οξύ, η πρώτη ύλη, είναι μια ένωση που μπορεί να ληφθεί σε αφθονία από γεωργικά απόβλητα όπως πίτουρο ρυζιού και πίτουρο σιταριού. Η βανιλίνη παράγεται απλά με ανάμιξη φερουλικού οξέος με το αναπτυγμένο ένζυμο σε θερμοκρασία δωματίου. Έτσι, η καθιερωμένη τεχνολογία μπορεί να προσφέρει μια απλή και φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο για την παραγωγή αρωματικών ενώσεων», εξηγεί ο καθηγητής Furuya. Η μελέτη τους δημοσιεύθηκε στις 10 Μαΐου 2024 στο Applied and Environmental Microbiology.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προσεγγίσεις γενετικής μηχανικής για να τροποποιήσουν τη μοριακή δομή ενός ενζύμου – «Ado». Στη φυσική του κατάσταση, δεν έχει την ικανότητα να μετατρέπει το φερουλικό οξύ σε βανιλίνη. Χρησιμοποιώντας όμως, ανάλυση δομικής μοντελοποίησης, οι ερευνητές ήταν σε θέση να προβλέψουν αλλαγές αμινοξέων στο Ado που θα επέτρεπαν την αλληλεπίδρασή του με το φερουλικό οξύ.
Μετά από αρκετές δοκιμές και λάθη, διαπίστωσαν ότι μια μεταλλαγμένη πρωτεΐνη στην οποία μόνο τρία συγκεκριμένα υπολείμματα φαινυλαλανίνης και βαλίνης αντικαταστάθηκαν με τυροσίνη και αργινίνη, αντέδρασε σταθερά με φερουλικό οξύ και παρουσίασε υψηλή δραστικότητα μετατροπής. Συγκεκριμένα, το τροποποιημένο ένζυμο δεν απαιτούσε συμπαράγοντες για μετατροπή, σε αντίθεση με άλλες οξειδάσες, και παρήγαγε βανιλλίνη σε κλίμακα γραμμαρίου ανά λίτρο διαλύματος αντίδρασης, με υψηλότερη καταλυτική αποτελεσματικότητα και συγγένεια από εκείνη του ενζύμου άγριου τύπου. Η αντίδραση απαιτούσε μόνο ανάμιξη του ενζύμου, του φερουλικού οξέος και του αέρα (μοριακό οξυγόνο), σε θερμοκρασία δωματίου, καθιστώντας την μια απλή, βιώσιμη και οικονομικά κλιμακούμενη διαδικασία. Επιπλέον, το μοριακά εξελιγμένο ένζυμο παρουσίασε επίσης δραστηριότητα μετατροπής προς το p-κουμαρικό οξύ και το σιναπικό οξύ, οι οποίες είναι ενώσεις που λαμβάνονται από την αποικοδόμηση της λιγνίνης – ένα κοινό γεωργικό απόβλητο.
Μέχρι στιγμής, κανένα μικροβιακό ή φυτικής προέλευσης ένζυμο δεν έχει επιδείξει την ικανότητα να μετατρέπει το φερουλικό οξύ σε βανιλίνη σε βιομηχανική κλίμακα. Ως εκ τούτου, το ένζυμο που αναπτύχθηκε στην παρούσα μελέτη παρουσιάζει σημαντικές δυνατότητες για την εμπορική και οικονομικά βιώσιμη παραγωγή φυσικής βανιλίνης.
Εξηγώντας τις μακροπρόθεσμες επιδράσεις της έρευνάς τους, ο καθηγητής Furuya δηλώνει: «Η αξιοποίηση του δυναμικού των μικροοργανισμών και των ενζύμων για την παραγωγή πολύτιμων ενώσεων υπό ήπιες συνθήκες από ανανεώσιμους φυτικούς πόρους, προσφέρει μια βιώσιμη προσέγγιση για την ελαχιστοποίηση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος. Επί του παρόντος, σε συνεργασία με μια εταιρεία, οι ερευνητικές μας προσπάθειες επικεντρώνονται στην επίτευξη της πραγματικής εφαρμογής της παραγωγής βανιλίνης μέσω της χρήσης του πρόσφατα αναπτυγμένου ενζύμου».
Πηγή:
Υλικό που παρέχεται από το Πανεπιστήμιο Επιστημών του Τόκιο.
Αναφορά: Shizuka Fujimaki, Satsuki Sakamoto, Shota Shimada, Kuniki Kino, Toshiki Furuya. Μηχανική μιας συνενζυμικής ανεξάρτητης διοξυγενάσης για παραγωγή βανιλλίνης από φερουλικό οξύ σε ένα στάδιο. Εφαρμοσμένη και Περιβαλλοντική Μικροβιολογία, 2024; DOI: 10.1128/aem.00233-24
