Naturlige og syntetiske katalysatorer møtes til duell

Unni Olsbyes syntetiske katalysatorer skal testes mot, lære av og forbedre enzym-katalysatorer i nytt stort forskningsprosjekt. Foto: Ola Sæther/UiO

En katalysator sørger for at kjemiske reaksjoner går fortere enn de ellers ville gjort. Enten det er mat som brytes ned inne i kroppen din, planter som vokser eller en fabrikk som lager plastprodukter du kjøper i butikken.
   I naturen er det enzymer, en type proteiner, som fungerer som katalysatorer. Disse har i millionårenes løp spesialisert seg på å drive frem helt bestemte reaksjoner.
   I industrien benytter man seg gjerne av syntetiske katalysatorer, stoffer som er laget og finpusset i laboratoriet.
   De to typene katalysatorer tilhører hvert sitt fagfelt, og disse har ikke snakket så mye sammen. Men det skal endre seg. Nå skal nemlig forskere fra Universitetet i Oslo (UiO) og Universitetet i Torino, begge eksperter på syntetiske katalysatorer, samarbeide med enzymforskere fra Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU) og Max Planck-instituttet i Mülheim.
   – Vi skal kombinere deres kunnskap om enzymatisk katalyse med den kunnskapen vi har om syntetisk katalyse, sier professor Unni Olsbye ved Kjemisk institutt ved UiO.
   Hun er koordinator for prosjektet som nå har fått støtte fra Det europeiske forskningsrådet (ERC). Hun tror bedre katalysatorer er nødvendig for å takle utfordringene verden står overfor.
   – Vi står ved et veiskille. Vi trenger å utvikle nye prosesser for at vi skal få hele fornybarsamfunnet til å gå rundt, sier Olsbye til Titan.uio.no.
Og i disse prosessene kommer katalysatorene inn i bildet.

Måtte finne felles språk
Men først måtte forskerne lære seg å snakke sammen.
– Unni Olsbye og jeg begynte for alvor å snakke fag sammen i 2013. Vi oppdaget raskt at vi hadde overlappende interesser innen katalyse, selv om våre ståsteder var veldig forskjellige, sier professor Vincent Eijsink ved NMBU.
   Men så var det dette spesialiserte fagspråket, da.
   – Vi har hvert vårt stammespråk, sier Olsbye. – Vi har forskjellige navn på ting. Det molekylet som kommer inn og reagerer, kaller jeg en reaktant. De kaller det et substrat. For meg er et substrat noe du fordeler katalysatoren på.
Eijsink forteller om en fire–fem år lang bli kjent-prosess.
   – Da måtte vi blant annet lære å snakke hverandres fagspråk, men nå har vi definert en del vitenskapelige problemstillinger som vi bare kan løse sammen, sier NMBU-professoren til Titan.uio.no.
   Hva funker best – naturlig eller syntetisk?
   Nå skal de teste hva som er mest effektivt i ulike reaksjoner.
   – Vi skal studere de samme reaksjonene parallelt med de to typene katalysatorer, sier Olsbye.
   Det kan høres ut som en klassisk duell ved soloppgang. Men forskerne ser ikke på det som en konkurranse.
   – Hvis en av dem virker bedre enn den andre, må vi prøve å finne ut hvorfor, sier UiO-professoren.
   Dersom enzym-katalysatoren får best resultater, og de finner ut hvorfor, kan Olsbye bruke den kunnskapen til å forbedre sin syntetiske katalysator.
– Hvis de ser at vår syntetiske katalysator virker bedre, kan de se på om de kan forbedre enzymet.
   Selv om enzymer er «naturlige», er nemlig forskerne i stand til å modifisere og endre dem.
   – For meg er det utrolig interessant å kunne koble kjemisk og bioteknologisk kompetanse på det aller høyeste vitenskapelige nivået – for å angripe noen av de største problemstillinger innen katalyse, sier Eijsink.

Fra metan til metanol uten omveier
Forskerne skal teste ut katalysatorer for en rekke kjemiske prosesser. Blant annet om det er mulig å lage metanol fra metangass uten dagens mange omveier.
Metan (CH4) og karbondioksid (CO2) er innholdet i biogassen som oppstår når vi samler inn og fermenterer matavfall. Metan kan omdannes til flytende metanoldrivstoff, men det er en langt mer omstendelig prosess enn bare å sette på «-ol» til slutt.
   – I dag gjøres dette gjennom lange prosesser der trykk og temperatur må justeres opp og ned. Man klarer ikke å lage produktet direkte, forteller Olsbye.
Prosessene fungerer egentlig helt fint, de.
   – Det er flotte katalysatorer i alle trinn som er optimalisert på alle bauer og kanter.
   Problemet, ifølge Olsbye, er at dagens prosesser bare fungerer i kjempestore anlegg.
– Det passer ikke med den nye økonomien og med gjenvinningssamfunnet.
Store anlegg betyr få anlegg og mye transport.
   – I fremtidsøkonomien kan vi ikke ha disse giga-anleggene. Da må vi ha små distribuerte anlegg. Og da må vi lage katalysatorer som gjør den reaksjonen direkte, sier Olsbye.
   – Det er ikke veldig effektivt å sende søpla vår til andre verdensdeler. Vi bør kunne omdanne de resirkulerte råstoffene tett på kilden, så vi slipper miljøbelastende transport.

Skreddersyr atom for atom
– Vi kan også tenke oss at vi skal basere industrien mer på tømmer eller annen biomasse, sier Olsbye.
   Om det i tilfelle fungerer best med et enzym eller med en syntetisk katalysator, er det nok en stund til forskerne får svar på. Men Olsbye er sikker på at vi trenger katalysatorer som er skreddersydd for å bidra til at ett bestemt utgangsstoff skal bli til ett bestemt sluttprodukt.
   – Vi trenger spesifikke prosesser for å omdanne akkurat de utgangsstoffene vi har, for eksempel biomasse, biogass eller resirkulerte plastvarer. I tillegg må disse prosessene være veldig selektive, de må lage bare akkurat det sluttresultatet vi ønsker oss, sier Olsbye.
   For hennes del betyr det at hun bygger opp katalysatoren atom for atom til ett eneste formål.
   Da tar hun gjerne utgangspunkt i katalysatoren UiO-66, som ble oppdaget på kjemilaben ved Universitetet i Oslo for tolv år siden.
   – Vi bruker UiO-66 for å lage nye katalysatorer, gjerne inspirert av enzymene til Eijsink og hans NMBU-kollegaer, sier Olsbye.
   – Vi her ved NMBU kan ikke vente med å komme i gang, sier Eijsink.

Henger veldig høyt
Forskerne fra de fire institusjonene får til sammen ti millioner euro i løpet av en periode på seks år. Støtten fra ERC er et såkalt Synergy Grant og henger veldig høyt, ifølge dekan Morten Dæhlen ved Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet ved UiO.
   – Dette er en av de mest prestisjefylte tildelingene man kan få i Europa, sier Dæhlen til Titan.uio.no.
   – For å få denne typen støtte må du bevise at du driver forskning på topp internasjonalt nivå.
   Dekanen mener forskningen Unni Olsbye, Vincent Eijsink og alle samarbeidspartnerne nå skal i gang med, er viktig både rent vitenskapelig og kan ha stor nytteverdi.
   – Utviklingen av katalysatorer har stor betydning innenfor energiproduksjon og i alle former for industriprosesser, og for at disse prosessene skal bli mer miljøvennlige, sier Dæhlen.
......
Fakta: ERC Synergy Grant
Det europeiske forskningsrådets Synergy Grant er rettet mot grupper på 2–4 ledende forskere innenfor sitt fagfelt, som kan søke om inntil EUR 10 millioner for sammen å gjennomføre nyskapende prosjekter.
UiO/NMBUs forskningsprosjekt var det eneste norske som vant frem ved denne tildelingen.

Les mer på ERCs nettsider

Kilde: UiO