Udvikling af enzymer til at omdanne planteaffald til bæredygtige produkter

En ny familie af enzymer er blevet konstrueret til at udføre et af de vigtigste trin i omdannelsen af ​​planteaffald til bæredygtige og højværdiprodukter såsom nylon, plast og kemikalier.

Opdagelsen blev ledet af medlemmer af det samme britisk-amerikanske enzymingeniørhold, som sidste år, udviklet og forbedret et enzym, der fordøjer plastik, et potentielt gennembrud for genanvendelse af plastaffald. (Link)

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , blev ledet af professor Jen Dubois ved Montana State University, Dr. Gregg Beckham ved US Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL), Professor Ken Houk ved University of California, Los Angeles sammen med professor John McGeehans team ved University of Portsmouth.

Det nyligt konstruerede enzym er aktivt på lignin - en af ​​hovedkomponenterne i planter, som videnskabsmænd har forsøgt i årtier for at finde en måde at nedbryde effektivt på.

Professor McGeehan, Direktør for Center for Enzyme Innovation i School of Biological Sciences i Portsmouth, sagde:"Dette er vores mål - at opdage enzymer fra naturen, bringe dem ind i vores laboratorier for at forstå, hvordan de fungerer, derefter konstruere dem til at producere nye værktøjer til den bioteknologiske industri. I dette tilfælde, vi har taget et naturligt forekommende enzym og konstrueret det til at udføre en nøglereaktion i nedbrydningen af ​​en af ​​de hårdeste naturlige plantepolymerer.

"For at beskytte deres sukkerholdige cellulose, planter har udviklet et fascinerende kompliceret materiale kaldet lignin, som kun et lille udvalg af svampe og bakterier kan håndtere. Imidlertid, lignin repræsenterer en enorm potentiel kilde til bæredygtige kemikalier, så hvis vi kan finde en måde at udvinde og bruge de byggeklodser på, vi kan skabe store ting."

Lignin fungerer som stillads i planter og er centralt for vandforsyningen. Det giver styrke og også forsvar mod patogener.

"Det er et fantastisk materiale, " Professor McGeehan sagde, "cellulose og lignin er blandt de mest udbredte biopolymerer på jorden. Planternes succes skyldes i høj grad den smarte blanding af disse polymerer til at skabe lignocellulose, et materiale, der er udfordrende at fordøje."

Nuværende enzymer har tendens til kun at arbejde på en af ​​byggestenene i lignin, gør nedbrydningsprocessen ineffektiv. Ved at bruge avancerede 3-D strukturelle og biokemiske teknikker har holdet været i stand til at ændre enzymets form for at rumme flere byggesten. Resultaterne giver en vej til fremstilling af nye materialer og kemikalier såsom nylon, bioplast, og endda kulfiber, fra det, der tidligere har været et affaldsprodukt.

Opdagelsen byder også på yderligere miljømæssige fordele - at skabe produkter ud fra lignin reducerer vores afhængighed af olie til at lave hverdagsprodukter og tilbyder et attraktivt alternativ til at brænde den, med til at reducere CO2-udledningen.

Forskerholdet bestod af et internationalt hold af eksperter i strukturel biologi, biokemi, kvantekemi og syntetisk biologi ved universiteterne i Portsmouth, Montana State, Georgien, Kentucky og Californien, og to amerikanske nationale laboratorier, NREL og Oak Ridge.

Dan Hinchen, en postgraduate-studerende ved University of Portsmouth sagde:"Vi brugte røntgenkrystallografi på Diamond Light Source synkrotronen til at løse ti enzymstrukturer i kompleks med ligninbyggesten. Dette gav os planen til at konstruere et enzym til at arbejde på nye molekyler. Vores kolleger var derefter i stand til at overføre DNA-koden for dette nye enzym til en industriel bakteriestamme, udvider sin evne til at udføre flere reaktioner."

Professor McGeehan sagde:"Vi har nu et bevis på, at vi med succes kan konstruere denne klasse af enzymer til at tackle nogle af de mest udfordrende lignin-baserede molekyler, og vi vil fortsætte med at udvikle biologiske værktøjer, der kan omdanne affald til værdifulde og bæredygtige materialer. ."