Nyt kunstigt enzym nedbryder sejt, træagtigt lignin:Undersøgelse viser løfte om at udvikle en ny vedvarende energikilde

Et nyt kunstigt enzym har vist, at det kan tygge sig igennem lignin, den seje polymer, der hjælper træagtige planter med at holde deres form. Lignin gemmer også et enormt potentiale for vedvarende energi og materialer.

Rapportering i tidsskriftet Nature Communications , viste et team af forskere fra Washington State University og Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, at deres kunstige enzym lykkedes med at fordøje lignin, som stædigt har modstået tidligere forsøg på at udvikle det til en økonomisk nyttig energikilde.

Lignin, som er den anden mest udbredte vedvarende kulstofkilde på Jorden, går for det meste til spilde som brændstofkilde. Når træ brændes til madlavning, hjælper ligninbiprodukter med at give fødevarer den røgede smag. Men forbrænding frigiver alt det kulstof til atmosfæren i stedet for at opfange det til andre formål.

"Vores bio-efterlignende enzym viste løfte i at nedbryde ægte lignin, hvilket anses for at være et gennembrud," sagde Xiao Zhang, en tilsvarende forfatter på papiret og lektor ved WSU's Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering. Zhang har også en fælles aftale hos PNNL. "Vi mener, der er en mulighed for at udvikle en ny klasse af katalysatorer og virkelig tage fat på begrænsningerne ved biologiske og kemiske katalysatorer."

Lignin er i alle karplanter, hvor det danner cellevægge og giver planterne stivhed. Lignin lader træer stå, giver grøntsager deres fasthed og udgør omkring 20-35 % af træets vægt. Fordi lignin bliver gult, når det udsættes for luft, fjerner træproduktindustrien det som en del af den fine papirfremstillingsproces. Når den er fjernet, bliver den ofte ineffektivt brændt til at producere brændstof og elektricitet.

Kemikere har forsøgt og fejlet i mere end et århundrede for at fremstille værdifulde produkter af lignin. Den historie af frustration er måske ved at ændre sig.

En bedre end naturen

"Dette er det første natur-mimetiske enzym, som vi ved effektivt kan fordøje lignin for at producere forbindelser, der kan bruges som biobrændstoffer og til kemisk produktion," tilføjede Chun-Long Chen, en tilsvarende forfatter, en Pacific Northwest National Laboratory-forsker og affiliate. professor i kemiteknik og kemi ved University of Washington.

I naturen er svampe og bakterier i stand til at nedbryde lignin med deres enzymer, hvilket er hvordan en svampedækket træstamme nedbrydes i skoven. Enzymer tilbyder en meget mere miljøvenlig proces end kemisk nedbrydning, som kræver høj varme og forbruger mere energi, end den producerer.

Men naturlige enzymer nedbrydes over tid, hvilket gør dem svære at bruge i en industriel proces. De er også dyre.

"Det er virkelig svært at producere disse enzymer fra mikroorganismer i en meningsfuld mængde til praktisk brug," sagde Zhang. "Når du først isolerer dem, er de meget skrøbelige og ustabile. Men disse enzymer giver en fantastisk mulighed for at inspirere modeller, der kopierer deres grundlæggende design."

Mens forskere ikke har været i stand til at udnytte naturlige enzymer til at arbejde for dem, har de gennem årtier lært meget om, hvordan de virker. En nylig oversigtsartikel af Zhangs forskerhold skitserer udfordringerne og barriererne mod anvendelsen af ​​lignin-nedbrydende enzymer. "Forståelse af disse barrierer giver ny indsigt i at designe biomimetiske enzymer," tilføjede Zhang.

Peptoid stillads er nøglen

I den aktuelle undersøgelse erstattede forskerne de peptider, der omgiver det aktive sted for naturlige enzymer, med proteinlignende molekyler kaldet peptoider. Disse peptoider blev derefter selvsamlet til krystallinske rør og plader i nanoskala. Peptoider blev først udviklet i 1990'erne for at efterligne funktionen af ​​proteiner. De har adskillige unikke egenskaber, herunder høj stabilitet, der gør det muligt for videnskabsmænd at adressere manglerne ved de naturlige enzymer. I dette tilfælde tilbyder de en høj tæthed af aktive steder, hvilket er umuligt at opnå med et naturligt enzym.

"Vi kan præcist organisere disse aktive websteder og tune deres lokale miljøer til katalytisk aktivitet," sagde Chen, "og vi har en meget højere tæthed af aktive websteder i stedet for et aktivt websted."

Som forventet er disse kunstige enzymer også meget mere stabile og robuste end de naturlige versioner, så de kan arbejde ved temperaturer op til 60 grader Celsius, en temperatur der ville ødelægge et naturligt enzym.

"Dette arbejde åbner virkelig nye muligheder," sagde Chen. "Dette er et væsentligt skridt fremad i at kunne omdanne lignin til værdifulde produkter ved hjælp af en miljøvenlig tilgang."

Hvis det nye bio-mimetiske enzym kan forbedres yderligere for at øge konverteringsudbyttet, for at generere mere selektive produkter, har det potentiale for opskalering til industriel skala. Teknologien tilbyder nye veje til fornyelige materialer til blandt andet luftfartsbiobrændstof og biobaserede materialer.

Forskningssamarbejdet blev faciliteret gennem WSU-PNNL Bioproducts Institute. Tengyue Jian, Wenchao Yang, Peng Mu, Xin Zhang fra PNNL og Yicheng Zhou og Peipei Wang fra WSU bidrog også til forskningen. + Udforsk yderligere

Forskere isolerer nye typer mikroorganismer, der spalter etherbindinger i ligninbaseret forbindelse