Исследование показывает перспективы разработки нового возобновляемого источника энергии

Было показано, что новый синтетический фермент способен пережевывать лигнин, прочный полимер, который помогает древесным растениям сохранять свою форму. Лигнин также обладает огромным потенциалом для получения энергии и возобновляемых материалов.

Написание репортажей для журнала Связь с природойгруппа исследователей из Университета штата Вашингтон и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики показала, что синтетический фермент удалось переварить лигнинкоторый упорно сопротивлялся более ранним попыткам превратить его в экономически полезный источник энергии.

Лигнин, второй по распространенности возобновляемый источник углерода на Земле, расходуется как источник топлива. Когда древесина сжигается для приготовления пищи, побочные продукты лигнина помогают придать продуктам аромат дыма. Но сгорание выбрасывает весь этот углерод в атмосферу вместо того, чтобы улавливать его для других целей.

«Наш биомиметический фермент показал себя многообещающим в разрушении настоящего лигнина, что является прорывом», — сказал Сяо Чжан, соответствующий автор статьи и доцент Школы химии и биоинженерии Джина и Линды Войланд WSU. Чанг также имеет совместную встречу с PNNL. «Мы считаем, что есть возможность разработать новый класс стимулов и устранить биологические ограничения и химические катализаторы. «

Лигнин присутствует во всех сосудистых растениях, где он образует клеточные стенки и придает растениям жесткость. Лигнин позволяет деревьям стоять, придает овощам силу и составляет около 20-35% веса древесины. Поскольку лигнин желтеет на воздухе, в деревообрабатывающей промышленности его удаляют в ходе деликатного процесса изготовления бумаги. После удаления он часто неэффективно сжигается для производства топлива и электроэнергии.

Химики уже более века безуспешно пытались произвести ценные продукты из лигнина. Этот неутешительный послужной список может измениться.

Один лучше, чем природа

«Это первый имитирующий природу фермент, который, как мы знаем, способен эффективно переваривать лигнин с образованием соединений, которые можно использовать в качестве биотоплива и в химическом производстве», — добавил Чун Лонг Чен, автор-корреспондент, исследователь Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и научный сотрудник. партнер. Профессор химического машиностроения и химии Вашингтонского университета.

В природе грибы и бактерии способны расщеплять лигнин своими ферментами, так в лесу разлагаются стволы деревьев, покрытые грибами. Ферменты предлагают гораздо более экологичный процесс, чем химическая деградация, которую он требует. Гипертермия Он потребляет больше энергии, чем производит.

Но, натуральные ферменты Они со временем разлагаются, что затрудняет их использование в промышленном процессе. Это тоже дорого.

«Очень сложно производить эти ферменты из микроорганизмов в количествах, пригодных для практического использования», — сказал Чжан. «После того, как они изолированы, они становятся очень хрупкими и нестабильными. Но эти ферменты предоставляют прекрасную возможность вдохновить модели, которые копируют их основной дизайн».

Хотя исследователи не смогли использовать природные ферменты для работы с ними, за десятилетия они многое узнали о том, как они работают. Недавняя обзорная статья исследовательской группы Чжана определяет проблемы и препятствия на пути применения ферментов, разлагающих лигнин.. «Понимание этих недостатков позволяет по-новому взглянуть на дизайн биомиметических ферментов», — добавил Чжан.

Пептоидный каркас является ключевым

В текущем исследовании ученые заменили пептиды, окружающие активный центр природных ферментов, белковоподобными молекулами, называемыми пептоидами. Затем эти пептиды самостоятельно собираются в нанокристаллические трубки и листы. Пептоиды были впервые разработаны в 1990-х годах для имитации функции белков. Они обладают многими уникальными свойствами, в том числе высокой стабильностью, что позволяет ученым устранять дефицит природных ферментов. В этом случае они обеспечивают высокую плотность Активные сайтыкоторый невозможно получить с помощью природного фермента.

«Мы можем точно регулировать эти активные центры и точно настраивать их локальную среду для каталитической активности, и у нас гораздо более высокая плотность активных центров, а не один активный сайт», — сказал Чен.

Как и ожидалось, эти синтетические ферменты также более стабильны и надежны, чем природные типы, и могут работать при температурах до 60 ° C, температуре, которая разрушила бы природный фермент.

«Эта работа действительно открывает новые возможности», — сказал Чен. «Это важный шаг вперед в способности превращать лигнин в ценные продукты с использованием экологически безопасного подхода».

Если новый биомиметик фермент Его можно оптимизировать для увеличения выхода конверсии, для получения более селективных продуктов, есть потенциал масштабирования до промышленных масштабов. Эта технология предлагает новые возможности для возобновляемых материалов для авиационного биотоплива и биоматериалов, среди прочего.

Сотрудничеству в исследованиях способствовал Институт биопродуктов WSU-PNNL. Тэнгуэ Цзянь, Вэньчао Ян, Пэн Му и Синь Чжан из PNNL, а также Ичэн Чжоу и Пейбе Ван из WSU также внесли свой вклад в исследование.